Dimensionamento de sistemas de irrigação por aspersão - Prof. Cunha, Teses (TCC) de Física do Solo

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Allan Cunha Barros

PROJETOS DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO

Carlos Sérgio de Oliveira Silva

Pedro Robinson Fernandes de Medeiros

Cícero Renê Almeida Barbosa Júnior

Colaboradores

1ª. Edição

Arapiraca – AL

Edição do Autor

Dedico

Ao meu filho Guilherme, que mudou minha vida,

À minha sobrinha Lelê, por ser uma luz na minha vida,

À minha esposa Rosy, pelo incentivo,

À minha mãe Dona Lourdinha, pela minha formação.

• Bibliografia Consultada ......................................................................................................................

PROJETOS DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO

Apresentação

A criação de uma empresa de irrigação passa por algumas etapas, a principal é o conhecimento em projetos. Apesar de a literatura dispor de muitos materiais, julgo que ainda faltam muitas informações que devem ser entendidas pelos profissionais para que se atinja o sucesso esperado.

Em 2013 iniciei os estudos para a abertura de uma empresa de irrigação e foi a partir das indagações que desenvolvi este material que possui metodologia diferenciada dos materiais de irrigação já publicados.

A qualidade do material foi posta em prática durante a realização do I treinamento para formação de projetistas , no ano de 2017, em que foram corrigidos os erros e adicionados materiais que servirão para a formação do projetista.

No entanto, nada é perfeito e sugestões e críticas são bem vindas.

Allan Cunha Barros

PROJETOS DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO

CAPÍTULO 1

RELAÇÃO SOLO-ÁGUA-PLANTA-ATMOSFERA

Allan Cunha Barros e Cícero Renê de Almeida Barboza Júnior

A água é o fator fundamental na produção agrícola e o solo é o local onde ela estará armazenada. Quantificar o tamanho deste reservatório é importante para o projetista de irrigação, já que ele influenciará no dimensionamento do projeto. As características físicas do solo que quantificam a água no solo são: a capacidade de Campo, o Ponto de Murcha Permanente e a densidade do solo. O limite superior de água que o solo consegue reter é chamado de Capacidade de Campo (CC), este é uma característica da textura e estrutura do solo. Solos mais argilosos possuem maior valor de CC, solos arenosos, menor. O limite inferior de água no solo é dado pelo ponto de murcha (PM). Os valores de CC e PM são dados em umidade à base massa ou volume. Os valores de CC e PM são dados em umidade: 1- Quando dado em Umidade for à base massa:

mss

msu mss

em que: U – umidade do solo à base massa, % msu- massa de solo úmido, g mss- massa de solo seco, g

2- Quando dado em Umidade à base volume:

 da^ (1.2)

em que: Teta- umidade à base volume, % da – densidade do solo, g/cm³.

E a densidade do solo é dada em g/cm³. Determinada pela equação:

PROJETOS DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO

V

da  ms^ (1.3)

em que: da = densidade do solo, g/cm ms = massa do solo seca, g V = volume do cilindro, cm3.

O intervalo entre a umidade na capacidade de campo e no ponto de murcha representa a disponibilidade total de água no solo (DTA), ou seja, quantos milímetros de água temos para cada cm de solo, a fórmula para calcular da DTA pode ser vista a seguir:

  da DTA  CC  PM  10

em que: DTA = disponibilidade total da água no solo, mm/cm CC = capacidade de campo, % massa seca PM = ponto de murcha, % massa seca da = densidade aparente do solo, kg/dm

Para quantificar o tamanho real do reservatório, ou a profundidade do mesmo, devemos considerar o tamanho efetivo do sistema radicular da nossa cultura, que será irrigada. Assim, tem-se que a capacidade total de água (CTA) no solo, que será dada por:

CTA  DTAxz^ (1.5)

em que: CTA = capacidade total da água no solo (mm) z = profundidade efetiva do sistema radicular (cm)

Alguns valores de profundidade efetiva do sistema radicular podem ser vistos na Tabela 1.1. Tabela1.1. Profundidade efetiva do sistema radicular de algumas culturas. CULTURAS PROFUNDIDADE (cm) CULTURAS PROFUNDIDADE (cm) HORTALIÇAS CEREAIS Alface 15 - 30 Amendoim 15 - 30 Batata 25 - 60 Cereais menores 50 - 100 Cebola 25 - 60 Feijão 15 - 30 Ervilha 50 - 70 Milho 30 - 60 Melão 20 - 40 Trigo 20 - 40 Milho doce 30 - 50 Quiabo 30 - 60 FORRAGEIRAS Pepino 35 - 50 Alfafa 40 - 70 Tomate 25 - 70 Sorgo 50 - 100

FRUTAS Abacaxi 30 – 60 PLANTAS INDUSTRIAIS Banana 30 – 50 Algodão 50 - 110

PROJETOS DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO

Foi descrito acima quais as fórmulas básicas para determinar a ITN, mas para isso é necessário determinar alguns dados físicos do solo. Dentre os dados de solo mais importantes no dimensionamento dos projetos estão: a umidade na capacidade de campo (CC) e o ponto de murcha (PM), a da densidade do solo (ds) e a velocidade de infiltração básica(VIB).

A determinação destes valores é comumente feita em laboratório, através de amostras de solo indeformadas, que foram coletadas em campo, e enviadas aos laboratórios. É muito comum que pequenos e médios produtores não queiram realizar a amostragem de terra para a coleta destes dados naquele momento, daí, faz-se uso de valores tabelados para o pré-dimensionamento dos projetos de irrigação por aspersão, para a realização de um pré-dimensionamento e posterior correção com dados gerados em laboratório. Já foi observado que os valores de textura do solo possuem alta relação com a lâmina na capacidade de armazenamento de água no solo. Daí pode-se utilizar a Tabela 1.3.

Tabela 1.3. Textura e disponibilidade de água no solo. Textura/Classe Disponibilidade total de água (DTA) mm água/cm de solo m³/ha/cm de solo Grossa (arenoso) 0,4 a 0,8 4 a 8 Média (médio) 0,8 a 1,6 8 a 16 Fina (argiloso) 1,2 a 2,4 12 a 24

Velocidade de infiltração Básica (VIB)

A velocidade de infiltração básica (VIB) é outro fator físico do solo que deve ser considerado no momento do dimensionamento de projetos de irrigação por aspersão. A VIB é a velocidade máxima com que uma determinada lâmina de água infiltra no solo, ou seja, para que a água de chuva ou irrigação seja armazenada no solo, é necessário que ela se infiltre pela sua superfície. Se a intensidade da chuva (mm/h) ou da irrigação (mm/h) for maior que a velocidade de infiltração de água no solo (mm/h), haverá escoamento superficial de água (enxurrada) (Mendonça, 2010). Para evitar que haja escorrimento superficial de água em sistemas irrigados deve-se fazer um teste de infiltração de água no solo para calcular a velocidade de infiltração básica (VIB) e escolher um aspersor que aplique água a uma taxa menor que ela (Ia < VIB) (Mendonça, 2009). Uma das metodologias para determinar a VIB é através do ensaio com anéis infiltrômetros. Que consiste na aplicação de água de forma ininterrupta até que a quantidade de água que infiltra fique constante ao longo do tempo. O procedimento de teste pode ser observado no anexo II.

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Quando não se dispõe de equipamento pode-se também utilizar dados em que são estimados os valores máximos de intensidade de precipitação de um aspersor em função do tipo de solo (Tabela 1.4).

Tabela 1.4. Máxima intensidade de aplicação (mm/h) sugerida em função do tipo de solo e declividade. (Keller e Bliesner, 1990) Textura Declividade 0-5% 5-8% 8-12% 12-16% Intensidade de aplicação máxima (mm/h) Arenoso 19 a 25 13 a 20 10 a 15 8 a 10 Siltoso 8 a 13 6 a 10 4 a 8 2,5 a 5 Muito argiloso 4 2,5 2 1,

Assim, deve-se adotar um aspersor que tenha um índice de precipitação menor que esta taxa.

Consumo de água pela Cultura e pela Atmosfera – Evapotranspiração

A retirada da água do solo pela planta é chamada de transpiração e pela atmosfera de evaporação, daí, dá-se o nome de evapotranspiração a retirada de água do solo no processo agrícola. A evapotranspiração (ET) pode ser estimada por diversas formas, mas para fins de projeto de irrigação, considera-se apenas a ET potencial da cultura (ETpc), em que calcula-se o consumo máximo de uma cultura, para um mês mais quente do ano, em função do seu maior coeficiente de cultivo (Kc)

ETPc  EToxKc (1.9) em que: ETPc = evapotranspiração potencial da cultura, mm/dia Kc = coeficiente de cultura, admensional ETo = evapotranspiração de referência, mm/dia

Como visto o consumo hídrico do sistema é dado em mm (milímetros) a mesma forma que se expressa a precipitação. Uma lâmina de irrigação de 5 mm, equivale a 5 litros por m². Ou seja, se for computado que numa área de 1 ha aplicou-se uma lâmina de 3,5 mm, significa que foi aplicado um volume de 3,5 litros por m², resultando num volume total de 35000 litros em 1 há. Os valores de ETo podem ser estimados de diversas formas, através de métodos diretos e indiretos. Alguns sites de dados climatológicos disponibilizam estes valores.

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Segundo número: sob baixa umidade (UR min.< 20%) e vento forte (V> 5 m/s)

Deve-se adotar no projeto o maior valor de Eto no maior ponto de consumo hídrico da cultura, ou seja maior Kc. A estimativa da evapotranspiração de referência, recomendada pela FAO Allen et al. (1998) é a pelo modelo de Penman-Monteith (P-M), atendendo a pela sua aplicabilidade para diferentes escalas de tempo e variação climática ao redor do mundo.

n^2 (^02)

0,408 (R - G) 900 U ( )

• 273 (1 0,34 )

T e^ s^ ea ET U

  ^         (1.10)

Em que:

ETo - evapotranspiração de referência pelo método de Penman-Monteith, mm.d-1;

Rn - radiação líquida, MJ m-2 d-1;

G - fluxo de calor no solo, MJ m-2 d-1;

T - temperatura média do ar, ºC;

V - velocidade média do vento a 2 m de altura, m s-1;

(es-ea) - déficit de pressão de vapor, kPa;

∆- curva de pressão de vapor, kPa ºC-1;

γ - constante psicrométrica, kPa ºC-1, e 900 - fator de conversão.

No entanto, para fins de projeto em muitos casos é difícil conseguir os dados necessários para o cálculo. Alguns sites fornecem dados climáticos para diversas regiões. Quando os dados climáticos não são completos, deve-se adotar metodologias de estimativa da ETo mais simples, como a proposta por Hargreaves e Samani (1985) que se preocupavam com a falta de dados climatológico.

ETo  a  Ra  T (^) max T min b^  T (^) média  c  2 , 45

em que:

ETo – Evapotranspiração estimada pelo método de Hargreaves-Samani, mm.dia-^1 ;

RA - radiação no topo da atmosfera, MJ.m-2.s-1;

Tmax - temperaturas máxima do ar, ° C;

Tmin - temperaturas mínima do ar, ° C;

Tmédia - temperaturas média do ar, ° C;

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Os valores de (a), (b) e (c) são os parâmetros de ajustes da equação original proposta

por Hargreaves e Samani (1985). O valor de “a” corresponde a 0,0023, o de “b” a 0,5 e de “c”

a 17,8.

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Hidráulica básica

Na irrigação é necessário utilizar a Hidrodinâmica para dimensionar aspersores, tubulações e bombas. Dimensionar significa “dar tamanho” (Mendonça, 2009). Como explicado acima, a vazão é o volume de água que escoa em função de um determinado tempo. Este pode ser a vazão de um aspersor (L/h ou m³/h), ou a vazão que escoa em uma tubulação, ou a que será impulsionada por um sistema de bombeamento.

Tempo

Q  Volume^ (2.2)

A vazão pode ser dimensionada em função da área transversal de passagem e a velocidade com que o líquido escoa. Como as tubulações são circulares e totalmente preenchidos com água por se tratar de um conduto forçado, a vazão pode ser expressa em função do diâmetro de um tubo e a velocidade com que o líquido irá escoar dentro da tubulação.

Q  área  Velocidade^ (I)

. 4 d^2 Área círculo ^ (II), daí temos que:

Q   d  Vel 4

^2

Em função da do diâmetro e velocidade;

2

d

Vel Q 

Em função da vazão e diâmetro;

Vel d Q    

(^4) Em função da do diâmetro e vazão;

Exemplo: Determine a vazão de um líquido que escoa a uma velocidade de 1,5m/s num tubo de diâmetro igual a 50mm. Convertendo: 50 mm = 0,05m, daí:

Q   d  Velocidade 4

^2

^0 ,^052   0 , 003 m ³/ s =10,6m³/h

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Pressão e Irrigação por aspersão

O processo de condução de água no sistema de irrigação por aspersão se dá na forma pressurizada, ou seja, a água escoa na tubulação com pressão interna nos tubos superior a pressão atmosférica, para isso é necessário que haja energia disponível que impulsione o líquido, fazendo com que o aspersor opere com pressão suficiente. Durante esta condução da água na tubulação ocorre perdas de pressão, que na hidráulica chama-se perdas de carga, que tem como símbolo hf. Estas perdas de carga são divididas em duas:

• Perda de carga ao longo da tubulação, ou somente perda de carga (hf); e
• Perda de Carga localizada (hfloc).

A hf se dá pelas perdas de energia que ocorrem pelo escoamento dos líquidos nas tubulações, e a hfloc se dá pelas perdas de energia geradas pelas peças especiais dos sistemas de irrigação, como exemplo: uma curva ou registro.

O somatório destas perdas pode ser chamada de perda de carga total (Hf), daí:

Hf  hf  hfloc^ (2.3)

Em que: Hf – perda de carga total, mca; Hf – perda de carga ao longo da tubulação, mca; Hfloc – perda de carga localizada, mca.

Perda de Carga – hf

A perda de carga hf pode ser determinada por diversas equações. Dentre estas as mais utilizadas em irrigação por aspersão são:

a) Hazen-Willians (H-W) – para tubos maiores que 50 mm.

4 , 8655

1 , 852

d

L

C

hf Q 

 ^ (2.4)

em que: hf = perda de carga calculada por Hazen-Willians, m; Q = vazão , m³/s; C = coeficiente de atrito de Hazen-Willians; L = comprimento da tubulação, m; d= diâmetro interno da tubulação, m.