Universidade Federal do Ceará

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

2 INTRODUÇÃO 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 d’água, por ser mais tolerante às condições topográficas adversas e apresentar menores perdas por evaporação.

3 INTRODUÇÃO 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.

4 INTRODUÇÃO 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): 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 OBJETIVO Desenvolver um Programa de Computador para simular e dimensionar Sistemas de Irrigação por Sulcos Abertos e em Declive Convencionais Redução de Vazão Reuso D’Água de Escoamento Empregando conceitos do Modelo de Balanço de Volume.

6 PROGRAMAS DE COMPUTAÇÃO NA IRRIGAÇÃO
REVISÃO DE LITERATURA PROGRAMAS DE COMPUTAÇÃO NA IRRIGAÇÃO AUTOR PROGRAMA OBJETIVO STRELKOFF (1985/1990) BRDR – Fortran 4 SRFR – Fortran ANSI 77 Modelar o fenômeno do fluxo d’água 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 d’água em canais. ROGERS & MERKLEY (1993) Programa anterior Determinar fluxo em canais abertos sob condições transientes. HOLLY Jr. & PARISH III (1993) CARIMA Simular 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 Especialista Manejar irrigação por faixas ELDIN & ALAMOUD (1994) Controle via computador Automatizar calendário de irrigação baseado no conteúdo d’água no solo.

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 PASAHOW (1989)
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 PROGRAMAS EXECUTÁVEIS
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 d’água 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 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE IRRIGAÇÃO POR SULCOS ATRAVÉS DO SIDIS
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 d’água (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)

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15 MATERIAL E MÉTODOS 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 d’água; 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 MATERIAL E MÉTODOS Registros: PASSOS
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”). 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 d’água por “pr” de profundidade (m); CC = conteúdo d’água do solo a capacidade de campo (% massa); PM = conteúdo d’água no ponto de murcha permanente (% massa); Рa = densidade aparente do solo (g/cm3); Рw = densidade d’água (g/cm3); рr = profundidade efetiva das raízes (m); f = fator de disponibilidade d’água 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 (m3d’água / 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
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 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 d’água no sulco (m/m).

23 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO
2. Sulcos em Declive: A0 (área média molhada ou seção transversal) determinada através da Equação de Manning:

24 MATERIAL E MÉTODOS b) TEMPO DE AVANÇO
3. Tempo de Avanço (TL) através do Método Balanço de Volume: Onde: σx = fator de forma sub-superficial d’água 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 TL e “r”, utiliza-se o processo interativo em dois pontos (0,5 L e L): 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 σx e σ’x ; c. Determina-se o tempo de avanço (TL) utilizando o procedimento de Newton-Raphson: 2. Se 1. Faz-se inicialmente: 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 b) TEMPO DE AVANÇO
7. Compara-se o valor estimado de “r” com o valor calculado. Se semelhantes, o procedimento é finalizado; caso contrário repete-se. 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.

28 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). → f0 foi calculado através de hidrógrafos de entrada e saída d’água no sulco → “a” foi calculado: → “k” 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 d’água 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 CONCLUSÕES 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 d’água 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.