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Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Agrárias Departamento de Engenharia Agrícola Mestrado em Irrigação e Drenagem Lucio José de Oliveira Mestrando.

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1 Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Agrárias Departamento de Engenharia Agrícola Mestrado em Irrigação e Drenagem Lucio José de Oliveira Mestrando FORTALEZA Dezembro de 2007 DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO POR SULCOS VIA BALANÇO DE VOLUME RENÉ NENE CHIPANA RIVERA Autor

2 A prática da Irrigação por Superfície é milenar e abrange 95% (GOLDBERG, 1994; SKOGERBOE, 1990) das terras irrigadas do mundo, por requerer baixos níveis de energia. A sustentabilidade da agricultura irrigada, através deste sistema, depende de melhoramentos e inovações a serem feitos, devido à crescente demanda alternativa do recurso água. A Irrigação por Sulcos apresenta melhor capacidade de manejo dágua, por ser mais tolerante às condições topográficas adversas e apresentar menores perdas por evaporação. INTRODUÇÃO

3 Balanço de Volume é um modelo matemático para a simulação hidráulica da irrigação. Popularizou-se por ser razoavelmente simplificado, pois seus procedimentos são cálculos algébricos, que simulam o desempenho da irrigação, evitando a realização de testes de campo, reduzindo custos para o produtor. INTRODUÇÃO

4 A História dos Recursos Hídricos e o desenvolvimento da Irrigação têm exercido grande influência no desenvolvimento humano. Segundo SKOGERBOE (1990) e PEREIRA et al. (1994): INTRODUÇÃO Civilizações têm prosperado e sucumbido como resultado da agricultura irrigada; A água tem sido o fator mais limitante para o rendimento das culturas e produção de alimentos; A água tem influenciado na localização de núcleos habitacionais, no crescimento dos níveis de emprego e no desenvolvimento regional.

5 Desenvolver um Programa de Computador para simular e dimensionar Sistemas de Irrigação por Sulcos Abertos e em Declive Convencionais Redução de Vazão Reuso DÁgua de Escoamento Empregando conceitos do Modelo de Balanço de Volume. OBJETIVO

6 AUTORPROGRAMAOBJETIVO STRELKOFF (1985/1990) BRDR – Fortran 4 SRFR – Fortran ANSI 77 Modelar o fenômeno do fluxo dágua sobre a superfície na irrigação por faixas e sulcos. Teoria da Zero-Inércia e Onda Cinemática. MERKLEY (1987)Usu Main System Hidráulic Model – PASCAL 3.3 Simular fluxo dágua em canais. ROGERS & MERKLEY (1993) Programa anteriorDeterminar fluxo em canais abertos sob condições transientes. HOLLY Jr. & PARISH III (1993) CARIMASimular o fluxo transiente sob condições de superfície livre simples ou sistemas múltiplos de rios ou canais. SOUZA (1991) GUIMARÃES (1993) CROPWAT (SMITH, 1989) Avaliar manejo computadorizado da irrigação do milho e do algodão. ARRUDA (1993) MAIA (1994) Cálculo para Projetos de Irrigação – TURBO-PASCAL Elaborar Projetos de Irrigação por gotejamento, aspersão e localizada. VOGEL & HOPMANS (1992) SWM II (Soil Water Model)Formular a análise bidimensional da infiltração em sistema de irrigação por sulcos. TURBAK & MOREL- SEYTOUX (1988) SIRCIR (Irrigação Superficial com taxa de infiltração constante) SIRVIR (Irrigação Superficial com taxa de infiltração variável) Obter solução analítica da irrigação por superfície sob condições de taxa de infiltração constante e variável. BOLDA et al. (1994)Sistema EspecialistaManejar irrigação por faixas ELDIN & ALAMOUD (1994) Controle via computadorAutomatizar calendário de irrigação baseado no conteúdo dágua no solo. REVISÃO DE LITERATURA PROGRAMAS DE COMPUTAÇÃO NA IRRIGAÇÃO

7 REVISÃO DE LITERATURA DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE LINGUAGEM PASCAL ARRUDA (1993) Testes e validação. Identificação do problema; Investigar métodos de solução; Selecionar a melhor opção; Codificação; Depuração (remoção de erros de código); KHAMBATA (1984) Validação do programa (teste) Especificação e declaração do problema Projeto do programa para solucionar o problema Codificação do problema em linguagem simbólica (transcrição) Tradução para a linguagem da máquina – Programa Fonte Programa Objeto Verificação do programa (depuração)

8 REVISÃO DE LITERATURA DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE LINGUAGEM PASCAL PASAHOW (1989) A linguagem PASCAL foi inventada pelo Prof. Ncklaus Wirth; Foi elaborada dentro dos princípios da linguagem ALGOL-60; Ênfase em programação estruturada; Compacto e abrangente; Possui todos os recursos para se programar em alto nível; Possui cabeçalho e corpo; No corpo define-se o processamento.

9 MATERIAL E MÉTODOS SISTEMA PARA DIMENSIONAMENTO DA IRRIGAÇÃO POR SULCOS – SIDIS LINGUAGEM PASCAL 7.0 PROGRAMAS EXECUTÁVEIS Sistema para o dimensionamento da irrigação por sulcos (SIDIS.EXE) Sistema para o dimensionamento de sulcos convencionais (SDISC.EXE) Sistema para o dimensionamento de sulcos com redução de vazão (SDISR.EXE) Sistema para o dimensionamento de sulcos com reuso dágua de escoamento – Tail Water – (SDIST.EXE) Sistema para a análise da irrigação por sulcos (SAIS.EXE) Sistema para leitura e apresentação dos resultados (SLAR.EXE) Sistema de ajuda ao usuário (SPAAS.EXE)

10 MATERIAL E MÉTODOS SIDIS Faz o gerenciamento e controle do funcionamento dos demais programas. - Módulo I – Apresentação do software - Módulo II – Entrada e armazenamento dos dados Janelas com tabelas de dados Coeficientes empíricos de forma do sulco Parâmetros de infiltração Lâmina líquida - Módulo III – Executa Cálculos Tempo de oportunidade Tempo de avanço - Módulo IV – Controla o fluxo e execução dos outros programas

11 MATERIAL E MÉTODOS DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE IRRIGAÇÃO POR SULCOS ATRAVÉS DO SIDIS DADOS BÁSICOS Vazão disponível (QT) Comprimento máximo do sulco (L) Coeficiente de Rugosidade de Manning (n) Declividade (S0) Largura do campo (W) Espaçamento entre sulcos (wf) Velocidade média dágua (V) Coeficientes empíricos da forma do sulco (ρ1 e ρ2) Parâmetros de infiltração do solo (a, k, f0) para as primeiras e subseqüentes irrigações Lâmina líquida (Zn) Turno de rega (TR)

12 MATERIAL E MÉTODOS

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15 VALIDAÇÃO DO PROGRAMA Para validar o SIDIS foram utilizados dados originários de WALKER & SKOGERBOE (1987), WALKER (1989), SOUZA et al. (1987), como também dados coletados em campo no Distrito de Irrigação de Morada Nova – CE. DADOS DE CAMPO Foram determinados a, k, f0, ρ1, ρ2 e o desempenho da irrigação; Área de testes: m2 (110 m x 75 m); Declividade: 3%.

16 MATERIAL E MÉTODOS PASSOS Coleta de solo para caracterização físico-hídrica (densidade aparente, umidade, capacidade de campo, ponto de murcha permanente); Calibração de Calhas PARSHALL de 1 através do Método do Padrão Volumétrico; Construção dos sulcos no sentido do maior comprimento, com espaçamento de 1 m. Imediata implantação da cultura (feijão-de-corda); Seleção de 3 sulcos representativos. Sulco central para medições e sulcos laterais como bordadura para evitar movimento lateral dágua; Piqueteamento a cada 10 m para identificar as estações de medições; Instalação das calhas PARSHALL no início e no final do sulco; Determinação da seção transversal de escoamento através de perfilômetro; Derivação de vazões aos sulcos (0,7 e 1,0 l/s);

17 Registros: Tempo para a água atingir cada estação; Vazão de entrada; Frente de avanço atingir o final do sulco; Tempos regulares de vazão de entrada e de saída (run off). MATERIAL E MÉTODOS PASSOS Encerrada a irrigação após a estabilização da vazão de saída. Registro da depleção e da recessão.

18 MATERIAL E MÉTODOS Quando se dispõe de valores dos parâmetros físicos do solo a Lâmina Líquida pode ser calculada: Sendo: Zn = lâmina líquida dágua por pr de profundidade (m); CC = conteúdo dágua do solo a capacidade de campo (% massa); PM = conteúdo dágua no ponto de murcha permanente (% massa); Рa = densidade aparente do solo (g/cm3); Рw = densidade dágua (g/cm3); рr = profundidade efetiva das raízes (m); f = fator de disponibilidade dágua para a cultura (decimal).

19 MATERIAL E MÉTODOS Equação do Turno de Rega: Sendo: TR = turno de rega (dias); ETc = evapotranspiração máxima da cultura (mm/dia).

20 MATERIAL E MÉTODOS CÁCULOS COMUNS AOS SISTEMAS a) TEMPO DE OPORTUNIDADE: Estimativa da Infiltração – Modelo KOSTIAKOV-LEWIS Onde: Zr = Zn. wf Zr = lâmina requerida (m3dágua / m de profundidade); a = coeficiente de infiltração (adimensional); K = coeficiente de infiltração (m3/m.min); Tr = tempo de oportunidade (min); f0 = velocidade de infiltração básica (m3/min.m); wf = espaçamento entre sulcos (m).

21 MATERIAL E MÉTODOS Método Interativo NEWTON-RAPHSON 1.Deve-se assumir um valor inicial para Tr1; 2. Calcula-se o tempo estimado de Tr1+1, baseado na equação:

22 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO 1.Vazão Máxima Não Erosiva: Sendo: Qmax = vazão máxima não erosiva (m3/m); n = coeficiente de rugosidade de Manning; Р1 e Р2 = coeficientes empíricos de forma do sulco; S0 = declividade do sulco (m/m); Vmax = velocidade média máxima dágua no sulco (m/m).

23 MATERIAL E MÉTODOS 2. Sulcos em Declive: A 0 (área média molhada ou seção transversal) determinada através da Equação de Manning: b) TEMPO DE AVANÇO

24 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO 3. Tempo de Avanço (T L ) através do Método Balanço de Volume: Onde: σ x = fator de forma sub-superficial dágua infiltrada, obtido pela Equação: Sendo: a = parâmetro de infiltração; r = coeficiente da função do tempo de avanço

25 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO 4. Devido a T L e r, utiliza-se o processo interativo em dois pontos (0,5 L e L): a. O expoente do tempo de avanço r varia entre 0,3 a 0,9 – inicializa-se r1 com valor estimado de 0,5; b. Calcula-se σ x e σ x ; c. Determina-se o tempo de avanço (TL) utilizando o procedimento de Newton-Raphson: 1. Faz-se inicialmente: 2. Se 3. Então

26 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO 4. Compara-se o valor estimado de TL1, com o calculado TL1+1. Se semelhantes, parte-se para uma n ova etapa. Caso contrário repete-se a operação. 5. Calcula-se o tempo de avanço para a metade do comprimento, fazendo TL = T0,5L, e do mesmo modo pra TL, substituindo L por 0,5L, e TL por T0,5L. 6. Calcula-se o valor de r com a fórmula:

27 MATERIAL E MÉTODOS 7. Compara-se o valor estimado de r com o valor calculado. Se semelhantes, o procedimento é finalizado; caso contrário repete-se. a. TL é um procedimento básico para o Método do Balanço de Volume; b. TL é fundamental para determinar vazão máxima para completar a Fase de Avanço; c. TL utilizado para determinar a vazão mínima nos Sistemas com Redução de Vazão; d. O cálculo de TL é executado repetidamente na otimização do projeto. b) TEMPO DE AVANÇO

28 k foi calculado: MATERIAL E MÉTODOS Os cálculos dos coeficientes de infiltração e da forma do sulco foram feitos através do Método dos Dois Pontos, baseado no Modelo do Balanço de Volume (ELLIOT & WALKER, 1982). f 0 foi calculado através de hidrógrafos de entrada e saída dágua no sulco a foi calculado:

29 RESULTADOS E DISCUSSÃO VALIDAÇÃO DO SIDIS A validação do SIDIS foi feita através de simulações para sulcos convencionais, sulcos com redução de vazão e sulcos com reuso dágua de escoamento. Os resultados obtidos foram comparados com os dados de WALKER & SKOGERBOE (1987), WALKER (1983) e SOUZA et al. (1987), mostrando-se semelhantes. O confronto com as provas de campo também apresentou diferenças pouco significativas. Os resultados obtidos corroboram com os apresentados em literatura: - BOOHER (1974) - BERNARDO (1986) - OLITTA (1987) - SOUZA (1994) - WALKER & SKOGERBOE (1987) - WALKER (1989) - FRIZZONE (1993) - CUENCA (1989) - BENAMI & OFEN (1993)

30 CONCLUSÕES A utilização do SIDIS para a solução da Equação do Balanço de Volume facilita sobremaneira o dimensionamento da irrigação por sulcos; O coeficiente de rugosidade de Manning (n) exerce certa influência no desempenho do sistema. Considerá-lo constante ao longo das irrigações pode não representar a realidade; Pode-se assumir ρ1 e ρ2 como constantes. Os resultados indicam que os mesmos não exercem influência no desempenho do sistema. A hidráulica da irrigação por sulcos não é sensível à variação desses fatores;

31 Para o caso de sulcos com redução de vazão os resultados mostraram que na maioria dos casos houve ganho em eficiência; O sistema com reuso dágua apresenta maiores índices de eficiência de aplicação. Mas, em sulcos muito compridos ou solos arenosos, o desempenho se reduz; Tabelas de Dimensionamento existentes na literatura apresentam comprimentos máximos dos sulcos diferentes dos propostos pelo SIDIS. Mas, o Método SCS – USDA mostra certa semelhança. CONCLUSÕES


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