Centro Nacional de Tecnología de Regadíos Camino de la Vega s/n 28830 San Fernando de Henares (Madrid)

EXPERIENCIA DE ENSAYOS DE ASPERSIÓN EN EL LABORATORIO Sánchez de Ribera González, A1; Bajo López, G; Bernal Llorente, M; Cañada López, L; Madurga del cura, C. 

RESUMEN

El riego por aspersión sigue siendo en España uno de los sistemas de riego más importantes. Por tanto, es imprescindible tener información fiable sobre el funcionamiento de los aspersores, que son los responsables de distribuir el agua con suficiente uniformidad en el terreno. Este trabajo refleja la experiencia obtenida en este campo por el Laboratorio Central de Ensayo para Materiales y Equipos de Riego del Centro Nacional de Tecnología de Regadíos, mostrando el funcionamiento inadecuado de algunos modelos y aportando algunas indicaciones que ayuden a una correcta caracterización de los aspersores. Se estudia un caso particular en el que se quiere resaltar la importancia que tienen los aspersores sectoriales en la uniformidad global de la parcela. La superficie que riegan estos aspersores puede variar entre un 10 a un 50 % de la superficie regada con cobertura total.



ABSTRACT

Sprinkler irrigation still is in Spain one of the most important irrigation techniques. Therefore, it’s imperative to have reliable data of sprinklers performances, which are responsible for distributing water uniformly in fields. This work reflects the experience gathered in this subject by the Central Laboratory for Testing of Irrigation Material and System in the National Centre of Irrigation Technology, showing some inadequate performances of models and giving some guidelines to help obtain a good characterization of sprinklers in irrigation uniformity. The area covered by these sprinklers can very between 10-50 % of the area irrigated.

1

Equipo Técnico del Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego Centro Nacional de Tecnología de Regadíos Tf: 91 347 93 02 Camino de la Vega s/n 28.830 San Fernando de Henares (Madrid) [email protected]

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

Introducción. Objetivos.

El riego por aspersión sigue siendo en España uno de los sistemas de riego más importantes, ya sea porque está muy implantado en algunas zonas o porque algunos cultivos lo llevan completamente asociado como la remolacha, zanahoria, hortícolas extensivos, etc. Dentro de las superficies ocupadas por cada sistema de riego en el Plan Nacional de Regadíos se recoge que el 24 % de las 3.400.000 ha regadas en España, corresponde a aspersión. Gran parte de la modernización que se está realizando a través de las actuaciones del Plan de Choque, el Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación y el Ministerio de Medio Ambiente transformarán parte de los riegos tradicionales en riegos presurizados que permitirán aumentar la superficie dedicada a aspersión. Por tanto, este sistema de riego juega un papel cuantitativo importantísimo dentro del sector del riego nacional y de ahí que sea necesario tener información fiable sobre el funcionamiento de los aspersores, que son los responsables de distribuir el agua con suficiente uniformidad en el terreno. En este trabajo se traslada la experiencia obtenida en el Laboratorio Central de Ensayo para Materiales y Equipos de Riego del Centro Nacional de Tecnología de Regadíos, mostrando algunos funcionamientos inadecuados y aportando algunos consejos que ayuden a obtener información fiable sobre el funcionamiento de los aspersores. Se estudia un caso particular en el que se quiere resaltar la importancia que tienen los aspersores sectoriales en la uniformidad global de la parcela. La superficie que riegan estos aspersores puede variar entre un 10 a un 50 % de la superficie regada con cobertura total.

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 Materiales y métodos. Para la realización de los ensayos se utiliza el banco de ensayo de aspersión del Laboratorio Central para Ensayo para Materiales y Equipos de Riegos. La figura 1, representa el esquema de este banco.

TP

SG

TT B1

VR

VC

VC

CA

B2

VC DN100

CCA1 CCA2

REGULACIÓN

ESTACIÓN DE BOMBEO

CCA3 CCA4 CCA5 CCA6 CCA7 CCA8

CÉLULAS DE CARGA

B - Bombeo CA - Caudalímetro VC - Válvula de corte VR - Válvula de regulación SG - Sensor de giro TP - Transductor de presión TT - Transductor de temperatura CC - Célula de carga

CCA69 CCA70

Figura 1: Esquema del banco de aspersión del laboratorio.

Los resultados del ensayo se recogen directamente en el autómata que gobierna el banco y se descargan los datos en un ordenador central para su procesado. El ensayo se programa en el autómata a través de una pantalla de servicio. Como herramienta para el estudio del coeficiente de variación de uniformidad en un marco de aspersión se ha utilizado el programa SPACE, que ha permitido comparar los distintos marcos de riego. Los resultados mostrados son una selección de los más de 300 ensayos realizados a más de 75 muestras de distintos modelos de aspersores, de los que se ha extraído los casos en los que se ha detectado el mal funcionamiento de los mismos.

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Métodos Para la consecución del estudio se ha realizado la determinación de la curva de distribución y de la curva caudal/presión de varios modelos de aspersores. La normativa usada como referencia en cada caso aparece en la tabla 1. ENSAYO

NORMA

Curva de distribución

ISO 15886-3. Agricultural irrigation equipment- SprinklersCharacterization of distribution and test methods

Curva caudal/presión

UNE 68-072-86. Material de riego-Aspersores rotativosRequisitos generales y métodos de ensayo Tabla 1 Normativa de referencia

Esta normativa establece cuáles son los requisitos que deben cumplir los ensayos para que las conclusiones que se saquen de los mismos reflejen las características del elemento ensayado y sean repetibles en cualquier tipo de laboratorio que siga el mismo procedimiento. Los ensayos se han realizado en condiciones de laboratorio en ausencia de viento. Otras condiciones de ensayo se describen a continuación: Ensayo curva de distribución Parámetro a medir Caudal Presión Tiempo Tª ensayo Separación pluviómetros Presión de ensayo Duración

Condiciones de ensayo Precisión ±0,5% Desviación máxima ±0.1 bar Resolución 1s 12 ± 5 ºC 50 cm 3-3,2 bar (según los modelos) Mín 1 hora.

Tabla 2. Determinación curva de distribución

Ensayo caudal/presión Parámetro a medir Caudal Presión Tiempo Tª ensayo Rango de presiones Duración

Condiciones de ensayo Precisión ±0,5% Desviación máxima ±0.1 bar Resolución 1s 12 ± 5 ºC 0,5-4 bar 30 s cada punto

Tabla 3. Determinación curva caudal-presión

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Resultados y discusión A continuación se muestran los resultados obtenidos en la realización de los ensayos para destacar determinadas anomalías que se han observado en el desarrollo de los mismos. Todos los modelos y muestras ensayadas son aspersores de impacto de latón con una o dos boquillas.

Ensayos de curva de distribución Se ha observado que determinadas muestras de aspersores no presentan un comportamiento estable cuando trabajan en las mismas condiciones. El gráfico 1 muestra dos repeticiones de un mismo aspersor en el que las dos curvas obtenidas son idénticas. El gráfico 2 muestra dos repeticiones de un mismo aspersor en el que las diferencias entre ambas repeticiones son del orden de 20%. La norma no establece ningún tipo de límite entre diferencias de funcionamiento en repeticiones de ensayo de un mismo elemento. Es importante que los aspersores presenten funcionamiento estable para las mismas condiciones de trabajo, ya que si no incorporaría una variabilidad a su funcionamiento que habría que tener en cuenta en el diseño de las instalaciones. Curva de distribución Boquillas de 3,6 + 2,4 mm. Pensayo= 3 bar. Cuerpo de latón.

Curva de distribución Boquillas de 4,4 + Tapón mm. Pensayo= 3 bar Cuerpo de latón.

10

18

9 16

Pluviometría (mm/h)

Pluviometría (mm/h)

8 14

Repetición 1 12

Repetición 2 10 8 6

Repetición 1

7 Repetición 2

6 5 4 3

4

2

2

1 0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Distancia al aspersor (m)

Gráfico 1: Curva de distribución de dos repeticiones de un mismo aspersor.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Distancia al aspersor (m)

Gráfico 2 Curva de distribución de dos repeticiones. de un mismo aspersor.

La normativa de referencia utilizada no específica qué número de muestras se deben ensayar para caracterizar un modelo de aspersor. A continuación se muestra la casuística de resultados que se han encontrado al ensayar varias muestras de un mismo modelo. Así el gráfico 3 representa tres ensayos realizados a tres muestras de un aspersor con boquillas 4 + Tapón. También se ha representado la media con las barras de error de amplitud  20%, que es la variación máxima que se considera que debería tener. En este caso las curvas de las tres muestras no presentan diferencias mayores que las barras de error representadas. En los últimos pluviómetros, el error absoluto es mayor al indicado. Esto se debe a la baja pluviometría recogida, que hace que pequeñas diferencias tengan un peso relativo elevado.

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En el gráfico 4 se observan los ensayos realizados a tres muestras de un modelo de aspersor con boquillas 4 + 2,4 mm. En este caso la variabilidad entre muestras es muy elevada, superando la diferencia con respecto a la media en  20%. Curva de distribución Boquillas de 4 + Tapón mm. Pensayo= 3,2 bar Cuerpo de latón.

12

12

10

10 Muestra1 Muestra2 Muestra3 Media ± 20%

8

Pluviometría (mm/h)

Pluviometría (mm/h)

Curva de distribución Boquillas de 4 + 2,4 mm. Pensayo= 3 bar Cuerpo de latón.

6 4 2

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Media ± 20%

8 6 4 2

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0

1

2

3

4

5

Distancia al aspersor (m)

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Distancia al aspersor (m)

Gráfico 3: Curva de distribución de tres muestras. Gráfico 4: Curva de distribución de tres muestras de un de un modelo de aspersor. un modelo de aspersor.

Ensayos de curva caudal/presión En la determinación de la curva caudal/presión se han detectado una problemática parecida. Varios ensayos en un mismo aspersor han presentado un comportamiento repetitivo, tal y como se muestra en el gráfico 5. De todos los ensayos realizados en el Laboratorio, el único que presenta alguna diferencia es el mostrado en el gráfico 6, en el que puede que algún mal ensamblaje de la vaina prolongadora, provocara su movimiento a partir de una determinada presión. Las flechas de los gráficos indican en qué sentido se ha conseguido la presión de ensayo bien de forma ascendente o descendente. Curva caudal/presión. Boquillas 4 + 2,4 mm, Cuerpo de latón.

1800

2000

1600

1800

1400

1600 Caudal medio (l/h)

Caudal medio (l/h)

Curva caudal/presión. Boquillas 4 + 2,4 mm, Cuerpo de latón.

1200 1000 800 Repetición 1

600

Repetición 2

1400 1200 1000

Repeticion 1 Repeticion 2 Repeticion 3 Repeticion 4

800 600

400

400

200

200 0

0 0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Presión media (bar)

Gráfico 5: Curva caudal/presión con repeticiones de un mismo aspersor.

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Presión media (bar)

Gráfico 6: Curva caudal/presión con repeticiones de un mismo aspersor.

Por otro lado, sí que se han observado casos de variabilidad entre distintas muestras de un mismo modelo, tal y como se refleja en el gráfico 7. Está claro que esta variabilidad es por un mal diseño del modelo o errores en el ensamblaje de sus elementos, ya que como muestra el gráfico 8 es posible obtener una repetibilidad completa entre muestras.

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Curva caudal/presión. Boquillas 4 + 2,4 mm, aspersor de latón.

Curva caudal/presión Boquillas de 4 + Tapón mm. Cuerpo de latón.

1800 1400 1200

1200

1000 Caudal (l/h)

1400

1000 800

Muestra 1

600

Muestra 2 Muestra 3

400

800 Muestra 1 600

Muestra 2

400

200

Muestra 3

200

0 0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0

4.5

0.5

1.0

1.5

2.0

Presión media (bar)

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Presión (bar)

Gráfico 7: Curva caudal/presión de tres muestras Gráfico 8: Curva caudal/presión de tres muestras de un mismo modelo de aspersor. de un mismo modelo de aspersor.

Otro ejemplo de mal funcionamiento es el que se refleja en el gráfico 9, ya que el aspersor tiene cierta histéresis, y su comportamiento es distinto dependiendo de la secuencia de presiones (ascendente o descendente) que se siga. Es importante determinar la curva de caudal/presión tanto con presiones ascendentes como descendentes para detectar estas anomalías en el funcionamiento de los aspersores. Curva caudal/presión. Boquillas 4 + 2,4 mm, aspersor latón. 1800 1600 Caudal medio (l/h)

Caudal medio (l/h)

1600

1400 1200 1000 800 Muestra 1 600

Muestra 2

400 200 0 0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Presión media (bar)

Gráfico 9: Curva caudal/presión de dos muestras de un mismo modelo de aspersor.

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Importancia de los aspersores sectoriales para la uniformidad global de la parcela Los pasos para la realización del estudio son los siguientes: Se ha elegido y caracterizado el aspersor rotativo de 360º que se va a situar en el centro de la parcela. Las características son: Aspersor de Latón de doble boquilla (4 + 2,4 mm). Su curva de distribución es: Curva de distribución Boquillas de 4 + 2.4 mm. Pensayo= 3,2 bar Cuerpo de latón.

14

Pluviometría (mm/h)

12 MEDIA 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Distancia al aspersor (m)

Gráfico 10: Curva de distribución del aspersor de 360º.

Se han ensayado los aspersores sectoriales de 180º que se van a comparar en los lindes de la parcela. Las características son: Aspersor de Latón de doble boquilla (4 + 2,4 mm) y aspersor de latón de boquilla simple (4 + Tapón). Sus curvas de distribución son: Curva de distribución Aspersor sectorial de latón. Pensayo= 3,2 bar 25

Pluviometría (mm/h)

20 Media (4 + 2,4 mm) Media (4 + Tapón)

15

10

5

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Distancia al aspersor (m)

Gráfico 11: Curva de distribución de los aspersores sectoriales.

Se realizan tres comparaciones de los distintos coeficientes de uniformidad para los siguientes casos: CASO 1: Uniformidad en el riego de un marco de aspersión al tresbolillo equilátero de 15 m (separación aspersores entre líneas 15 m, separación de líneas 13 m). Este es el coeficiente de uniformidad teórico que se suele dar como coeficiente de toda la parcela. CASO 2: Uniformidad en el riego de un marco de aspersión al tresbolillo equilátero de 15 m (separación aspersores entre líneas 15 m, separación de líneas 13 m), teniendo en cuenta la superficie regada por los aspersores sectoriales. En este caso

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el aspersor sectorial es de doble boquilla, que suele ser la más utilizada en las instalaciones. CASO 3: Uniformidad en el riego de un marco de aspersión al tresbolillo equilátero de 15 m (separación aspersores entre líneas 15 m, separación de líneas 13 m), teniendo en cuenta la superficie regada por los aspersores sectoriales. En este caso el aspersor sectorial es de boquilla simple. La comparación en parcela se realiza con el programa SPACE (Sprinkler Profile and Coverage Evaluation), en una parcela de 1 ha. Los coeficientes que servirán para comparar la uniformidad del riego son: Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CUD)

CUD  100  (1 

D ) m

m

1 n  xi n i 1

D

1 n  xi  m n i 1

xi = valor recogido en cada pluviómetro n = número de valores m = media del conjunto de valores D = media de los valores absolutos de las desviaciones individuales

Uniformidad de Distribución (UD)

1q ) m 1 n m   xi n i 1

xi = valor recogido en cada pluviómetro 1q = media de la pluviometría en el cuarto de superficie menos regada n = número de valores m = media del conjunto de valores LQ = conjunto de valores que contiene el 25% de los valores más pequeños

UD  100  (

1q 

1 n1q

n

x : i 1

i

i

 LQ

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Resultados: El coeficiente de uniformidad de distribución (CUD) y la uniformidad de distribución (UD) que se obtienen son: CASO 1: Sin tener en cuenta la zona de influencia de los aspersores sectoriales Aspersor Rotativo completo

Boquilla (mm) Presión (Kpa) Arco (º) CUD (%) 4 + 2.4 320,0 360 88,7 Tabla 4: Datos de CUD y UD totales del caso 1.

UD (%) 83,1

CASO 2: Parcela de 1 ha con aspersor sectorial con doble boquilla Aspersor Sectorial de latón Sectorial de latón Rotativo completo

Boquilla (mm) Presión (Kpa) Arco (º) CUD (%) 4 + 2.4 320,0 180 72 4 + 2.4 320,0 90 4 + 2.4 320,0 360 Tabla 5: Datos de CUD y UD totales del caso 2.

UD (%) 63

CASO 3: Parcela de 1 ha con aspersor sectorial con boquilla simple Aspersor Sectorial de latón Sectorial de latón Rotativo completo

Boquilla (mm) Presión (Kpa) Arco (º) CUD (%) 4 + Tapón 320,0 180 80 4 + Tapón 320,0 90 4 + 2.4 mm 320,0 360 Tabla 6: Datos de CUD y UD totales del caso 3.

UD (%) 66

Se observa que con dos boquillas el CUD es un 8% menor que con una sola boquilla. En las siguientes tablas se puede comparar la uniformidad del riego en las distintas zonas de la parcela, según el esquema. Se comparan los distintos sectores dentro de la misma parcela para observar el peso específico que se tiene en cada zona: Zona Sectoriales

Zona Central

Figura 2: Parcela de estudio.

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Caso 2: Zona Aspersor CUD (%) Zona centro 360 88,7 Zona sectoriales 4 + 2.4 73,75 Tabla 7: CUD y UD por sectores del caso2

UD (%) 83,1 66.6

Zona Aspersor CUD (%) Zona centro 360 90 Zona sectoriales 4 + 2.4 81,3 Tabla 8: CUD y UD por sectores del caso 3.

UD (%) 85 71,5

Caso 3:

Como se observa los coeficientes teóricos de la zona central es más optimista que lo que realmente ocurre cuando se toman en cuenta el riego en los límites de la parcela. La uniformidad de riego es mayor cuando se utilizan sectoriales con una sola boquilla, frente al sectorial de dos boquillas a pesar de ser esta última la opción más utilizada. El peso de la superficie que está influenciada por el riego de los aspersores sectoriales será mucho mayor cuanto más pequeña sea la superficie de la parcela, pero incluso para superficies de 20 ha supone una superficie importante como se muestra en la tabla 9. Superficie (ha) Superficie sectoriales (ha) 1 5 10 20 30

0.51 1.25 1.81 2.59 3.19 Tabla 9: Peso de la superficie sectorial.

% 51% 25% 18% 13% 11%

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Conclusiones De los ensayos mostrados se pueden sacar varias conclusiones, como: -

Cuando se realizan ensayos de aspersores para obtener su curva de distribución y su curva caudal/presión, es importante hacer repeticiones a la muestra de ensayo, y ensayar distintas muestras del mismo modelo para poder dar unos resultados que sean representativos de todo el modelo.

-

El número de muestras a ensayar en laboratorio de un modelo de aspersor debe estar normalizada, se propone una población de 10 aspersores para el ensayo de un mínimo de 3 muestras.

-

Las curvas obtenidas de ensayos repetidos a distintas muestras de un mismo modelo no deberán diferir con respecto a la media en 20%.

-

Las curvas de distribución realizadas a un mismo aspersor no deben diferir en 10%, respecto a la media de las repeticiones.

-

En el ensayo de curva caudal/presión se deberían obtener los puntos incrementando la presión y disminuyendo la presión, ya que hay modelos de aspersor que no se comportan igual.

-

Las curvas obtenidas de ensayos, a muestras distintas del mismo modelo, no deberían diferir en 5% con respecto a la media.

-

Hacer mayor hincapié a la hora de elegir los aspersores sectoriales, determinar sus curvas de distribución, e incluirlos en los programas de simulación para determinar la uniformidad teórica de la parcela, ya que como se ha demostrado tienen un peso específico importante en una parcela de cultivo.

-

Los fabricantes deberían incluir en sus catálogos las curvas de los aspersores sectoriales junto con la de los aspersores de 360º para que el diseñador del riego en parcela tenga la información suficiente para elegir la combinación óptima de los mismos.

Bibliografía  ISO 15886-3:2004(E) Agricultural irrigation equipment- SprinklersCharacterization of distribution and test methods.  UNE 68-072-86 Material de riego -Aspersores rotativos -Requisitos generales y métodos de ensayo.  “El riego por Aspersión y su Tecnología”, J.M. Tarjuelo Martín-Benito. 1999. Ed: Mundi-Prensa.  Procedimiento de ensayo interno del banco de aspersión del Laboratorio Central Para Ensayo De Materiales Y Equipos De Riego. 2006.  Plan Nacional de Regadíos.  Programa SPACE (Sprinkler Profile and Coverage Evaluation) for window´s V 2.0.