Universidade Federal do CearáCentro de Ciências Agrárias

Departamento de Engenharia Agrícola

Mestrado em Irrigação e Drenagem

Lucio José de OliveiraMestrando

FORTALEZA

Dezembro de 2007

DESENVOLVIMENTO DE UM “SOFTWARE” PARA O

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO

POR SULCOS VIA BALANÇO DE VOLUME

RENÉ NENE CHIPANA RIVERAAutor

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.

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.

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):

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.

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.

OBJETIVO

AUTOR PROGRAMA OBJETIVO

STRELKOFF (1985/1990)

BRDR – Fortran 4SRFR – 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.

REVISÃO DE LITERATURAPROGRAMAS DE COMPUTAÇÃO NA IRRIGAÇÃO

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)

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.

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)

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 dadosJanelas com tabelas de dadosCoeficientes empíricos de forma do sulcoParâmetros de infiltraçãoLâmina líquida

- Módulo III – Executa CálculosTempo de oportunidadeTempo de avanço

- Módulo IV – Controla o fluxo e execução dos outros programas

MATERIAL E MÉTODOSDIMENSIONAMENTO 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)

MATERIAL E MÉTODOS

MATERIAL E MÉTODOS

MATERIAL E MÉTODOS

MATERIAL E MÉTODOSVALIDAÇÃO 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: 8.250 m2 (110 m x 75 m);

Declividade: 3%.

MATERIAL E MÉTODOSPASSOS

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);

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 MÉTODOSPASSOS

• Encerrada a irrigação após a estabilização da vazão de saída.

• Registro da depleção e da recessão.

fxpp

xpPMCC

Z

rw

an 100

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).

MATERIAL E MÉTODOS

Equação do Turno de Rega:

10001xxETcZTR n

Sendo:

TR = turno de rega (dias);ETc = evapotranspiração máxima da cultura (mm/dia).

MATERIAL E MÉTODOS

CÁCULOS COMUNS AOS SISTEMAS

a) TEMPO DE OPORTUNIDADE:

Estimativa da Infiltração – Modelo KOSTIAKOV-LEWIS

TrfTrKZ ar .. 0

Onde:

Zr = Zn . wfZr = 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).

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:

01

1

101111

__

fTr

Trka

TrfTrkZrTrTr

a

a

MATERIAL E MÉTODOS

b) TEMPO DE AVANÇO

1. Vazão Máxima Não Erosiva:

12

1

5,001

2maxmax

60

S

nVQ

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).

MATERIAL E MÉTODOS

2. Sulcos em Declive: A0 (área média molhada ou seção transversal) determinada através da Equação de Manning:

b) TEMPO DE AVANÇO

2

1

5,001

00

60

S

nQA

MATERIAL E MÉTODOSb) TEMPO DE AVANÇO

3. Tempo de Avanço (TL) através do Método Balanço de Volume:

077,0 0'

0 LxaLxLs TfLTkLATQ

Onde:

σx = fator de forma sub-superficial d’água infiltrada, obtido pela Equação:

ra

arax

11

11

Sendo:

a = parâmetro de infiltração;r = coeficiente da função do tempo de avanço rx

1

1'

MATERIAL E MÉTODOSb) TEMPO DE AVANÇO

4. Devido a TL 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 σx e σ’x ;

c. Determina-se o tempo de avanço (TL) utilizando o procedimento de Newton-Raphson:

1. Faz-se inicialmente:

sL Q

LAT 00,5

1

2. Se

LTf

LTk

L

aLx

x

10'

1

3. Então

LfT

Q

LATQTT

xL

s

LsLL

0'

1

01111

77,0

MATERIAL E MÉTODOSb) 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:

L

L

T

TLn

Lnr

5,0

11

2

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

→ “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).

→ f0 foi calculado através de hidrógrafos de entrada e saída d’água no sulco

L

QQf ests

0

→ “a” foi calculado:

L

L

L

L

T

TLN

V

VLN

a

5,0

5,0

aLz

L

T

Vk

RESULTADOS E DISCUSSÃOVALIDAÇÃO 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)

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;

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.

CONCLUSÕES