AVALIAÇÃO TÉCNICA DE DOIS TIPOS DE EMISSORES PARA IRRIGAÇÃO LOCALIZADA

AVALIAÇÃO TÉCNICA DE DOIS TIPOS DE EMISSORES PARA IRRIGAÇÃO LOCALIZADA

(Parte 1 de 4)

CIDADE GAÚCHA - PR AGOSTO – 2011

Orientador: Prof. Dr. Giuliani do Prado

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Universidade Estadual de Maringá, como parte das exigências do curso de Engenharia Agrícola para obtenção do título de Engenheira Agrícola. .

CIDADE GAÚCHA – PR AGOSTO – 2011

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Universidade Estadual de Maringá, como parte das exigências do curso de Engenharia Agrícola para obtenção do título de Engenheira Agrícola.

APROVADO: 01 de agosto de 2011

Prof. Dr. Marcelo Alessandro Araújo Membro

Profª. Drª. Denise Mahl Porcel Membro

Prof. Dr. Giuliani do Prado Orientador

Dedico o presente trabalho

Aos meus pais:

ANTONIO LUIS PEREIRA NUNES e LUIZA MARIA HENRIQUE NUNES i AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Luiz e Luiza, que fizeram todos os esforços necessários para que eu pudesse concluir mais uma etapa.

Ao meu amigo e companheiro Wesley, pelo apoio e ajuda na realização deste trabalho.

A Mariana Braite por ter me ajudado nos experimentos.

Ao orientador Prof. Dr. Giuliani do Prado, que contribuiu com conhecimentos durante toda a realização do trabalho.

iv SUMÁRIO

Lista de figurasvi
Lista de tabelasvii
Resumoviii
1 INTRODUÇÃO1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA3
2.1 Irrigação e generalidades3
2.2 Irrigação localizada por gotejamento3
2.3 Gotejadores4
2.3.1 Equação característica de pressão versus vazão do emissor5
2.4 Uniformidade de aplicação de água6
2.4.1 Uniformidade de distribuição de água no solo6
2.4.2 Coeficiente de variação de fabricação7
2.4.3 Uniformidade estatística8
2.5 Eficiência de irrigação9
2.5.1 Eficiência de aplicação de água no solo9
2.5.2 Perdas por percolação9
3 MATERIAL E MÉTODOS10
3.1 Local10
3.2 Tubos Gotejadores10
3.3 Estudo e caracterização hidráulica dos tubos de emissores1
3.3.1 Bancada de ensaios1
3.3.2 Equação característica de pressão versus vazão12
3.3.3 Coeficiente de variação de fabricação13
3.3.4 Diâmetro interno dos tubos emissores14
3.3.5 Comprimento máximo da linha lateral14
3.4 Avaliação do sistema instalado a campo17
3.4.1 Uniformidade de distribuição de água19
3.4.2 Grau de adequação19
3.4.2.2 Eficiências20
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO2
4.1 Resultados obtidos em laboratório2
4.1.1 Vazão de emissão e coeficiente de variação de fabricação2

Página 4.1.2 Comprimento máximo da linha lateral ......................................................................... 24

4.2 Resultados obtidos do sistema instalado a campo24
4.2.1 Variação de vazão e pressão na linha lateral24
4.2.2 Uniformidade de distribuição de água no solo (UD)25
4.2.3 Análise do grau de adequação do sistema26
4.2.4 Análise das eficiências de irrigação27
5 CONCLUSÕES30

v 6 REFERÊNCIAS ................................ ................................ ................................ ................ 31 vi LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de conexões para gotejadores5
Figura 2. Local em que são encontradas as bobinas na UEM/CAR1
gotejadores12
Figura 4. Tomada de pressão alocada no início das linhas de gotejamento13
avaliação18
Figura 6. Volume sendo coletado para a avaliação a campo18
pressão de serviço dos tubos gotejadores de fluxo turbulento2

Página Figura 3. Bancada de ensaios instalada no Laboratório de Hidráulica e Irrigação - UEM/CAR, constituída por (A) tubulação de PVC para conectar as linhas de gotejadores, (B) tubulação de PVC de 50 m de diâmetro, (C) Tomadas de pressão, (D) tubos Figura 5. Linha de cultivo com tubo gotejador autocompensante alocado para início da Figura 7. Vazão de emissão (a) e coeficiente de variação de fabricação (b) em função da

pressão de serviço dos tubos gotejadores de fluxo autocompensante23

Figura 8. Vazão de emissão (a) e coeficiente de variação de fabricação (b) em função da

fluxo autocompensante23

Figura 9. Vazão de emissão em função da pressão de serviço dos tubos gotejadores de

pressões de ensaio27

Figura 10. Área adequadamente irrigada do sistema de irrigação por gotejamento operando com gotejadores de fluxo turbulento e autocompensante para três diferentes

Figura 1. Eficiência de aplicação (Ea), armazenamento (Es) e perdas por percolação (Pp) adimensionais do sistema de irrigação por gotejamento operando com gotejadores de fluxo turbulento e autocompensante para três pressões de ensaio. ................................ ................................ ................................ ........................... 29 vii

Página

variação de pressão para tubos de fluxo turbulento e autocompensante24

Tabela 1. Valores de comprimento máximo da linha lateral em relação a variação de vazão e

gotejadores de fluxo turbulento25

Tabela 2. Variação de pressão e vazão na linha lateral observadas no campo para tubos

gotejadores de fluxo autocompensante25

Tabela 3. Variação de pressão e vazão na linha lateral observadas no campo para tubos

diferentes pressões de ensaio26

Tabela 4. Uniformidade de distribuição de água do sistema de irrigação por gotejamento operando com gotejadores de fluxo turublento e autocompensante para três

Tabela 5. Eficiências de aplicação (Ea), armazenamento (Es) e perdas por percolação (Pp) para um volume requerido de 15L do sistema de irrigação por gotejamento operando com gotejadores de fluxo turbulento e autocompensante para três diferentes pressões de ensaio. ........................................................................... 28 viii RESUMO

Este trabalho teve por objetivo avaliar em laboratório e a campo o desempenho de dois tipos de tubos gotejadores (regime turbulento e de regime autocompensante) utilizados em irrigação localizada por gotejamento. Em laboratório, foi montada uma bancada de ensaios no Laboratório de Hidráulica e Irrigação na Universidade Estadual de Maringá no Campus do Arenito para obter as equações características de pressão versus vazão dos dois tipos de tubos emissores, comprimento máximo da linha lateral e os valores do coeficiente de variação de fabricação (CVF). A campo, foram instaladas na cultura do maracujá seis linhas laterais com 61 metros de comprimento cada e os tubos gotejadores foram submetidos as pressões de serviço de 5, 10, 15 e 20 m.c.a. para a determinação da uniformidade de distribuição de água, eficiências de armazenamento e de aplicação de água, além das perdas por percolação. Para os tubos gotejadores de regime autocompensante foi encontrado um expoente da equação característica de 0,1116 e para tubos de regime turbulento um expoente x de 0,5403. Os coeficientes de variação de fabricação (CVF) encontrados para os tubos gotejadores de regime turbulento e autocompensante foram menores que 5%, considerados excelentes de acordo com a ASAE (1985). A uniformidade de distribuição de água (UD) para tubos de regime autocompensante esteve entre 84,9% e 93,1% e para tubos de regime turbulento entre 90,8% e 96,0%, sendo considerados aceitáveis e excelentes de acordo com estudos de Ulmann e Soccol (2008). A eficiência de armazenamento esteve entre 94,0% e 97,8% para tubos de regime autocompensante e entre 97,1% e 98,5% para tubos de regime turbulento. A eficiência de aplicação esteve entre 94,0% e 97,8% para tubos de regime autocompensante e entre 97,1% e 98,5% para tubos de regime turbulento. Pode-se concluir que os tubos gotejadores presentes no Campus do Arenito/UEM estão em condições adequadas para a utilização. O desempenho dos emissores de água atende as características em que foram fabricados.

1 1 INTRODUÇÃO

A utilização da irrigação por gotejamento vem crescendo consideravelmente. As vantagens apresentadas com a sua implantação, como economia de água e energia, vêm conquistando cada vez mais espaço, considerando a necessidade de racionalizar o uso da água atualmente.

A necessidade de encontrar formas de produzir alimentos em grande escala sem prejudicar o meio ambiente, faz da irrigação por gotejamento uma forma sustentável de irrigação, se bem manejado.

A irrigação por gotejamento consiste em aplicar pequenas quantidades de água diretamente à zona radicular, em alta freqüência, formando uma área molhada ao redor das plantas, resultando em uma zona molhada permanente e mantendo o solo com uma umidade próxima a capacidade de campo.

A água é aplicada através de pequenos orifícios denominados emissores, que são alocados nos tubos. A área dos orifícios é pequena, permitindo que a água seja aplicada gota a gota. Devido a esta pequena área, alguns inconvenientes podem ser citados, como a facilidade de entupimentos e o aumento da vazão devido ao desgaste dos emissores. Com isso, o uso de filtros na entrada do sistema é indispensável para uma melhor qualidade da água e a manutenção do sistema para identificar o desgaste dos emissores (MANTOVANI et al., 2009).

A avaliação do sistema deve ser outro fator a ser levado em consideração, uma vez que por se tratar de um sistema que aplica a água gota a gota no solo, a uniformidade de aplicação de água na área total pode ser comprometida, ou seja, a aplicação da água pode ser irregular em toda a área. O material e a precisão com que são fabricados os tubos emissores também influenciam na uniformidade de aplicação de água, pois os orifícios apresentam pequenas áreas, e as variações por menores que sejam, comprometem a uniformidade do sistema. Assim, o conhecimento do coeficiente de variação de fabricação dos tubos emissores é de grande importância (BERNARDO et. al., 2006).

Quando o sistema de irrigação por gotejamento é instalado a campo, ele sofrerá diversos outros fatores que podem levar ao não funcionamento correto do sistema. Temperaturas excessivas, declividade da área, qualidade da água, entupimentos dos emissores, podem comprometer os resultados obtidos em laboratório. É importante estudar a campo o sistema, para obter resultados mais próximos da realidade. A instalação do sistema a campo, a análise da água a ser utilizada, a coleta aleatória de vazões nos emissores, demonstrarão o seu funcionamento.

Assim, para o bom desempenho de um sistema de irrigação localizada por gotejamento, é imprescindível o conhecimento das características dos gotejadores e a avaliação de seus desempenhos a campo.

Desta forma, o objetivo do trabalho foi avaliar em laboratório e testar a campo o desempenho dos dois tipos de tubos emissores presentes no Campus do Arenito na Universidade Estadual de Maringá.

3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Irrigação e generalidades

A história e o desenvolvimento de povos antigos da Mesopotâmia, Índia, Império da

China, Egito estão diretamente ligados com a prosperidade na irrigação, levando ao progresso da economia. Muitos desses povos estavam presentes em zonas áridas, sendo permitido seu desenvolvimento com o uso eficiente dos recursos hídricos (GIACOIA, 2003).

Com o crescimento demográfico mundial, vê-se a necessidade de produzir alimentos nas terras aráveis e tornar regiões áridas e semi-áridas produtivas com o complemento da irrigação. A prática da irrigação foi difundida pelo mundo, e tornou muitas regiões do planeta dependentes da irrigação para a produção de alimentos (DAKER, 1988).

No Brasil, a irrigação tardou a se desenvolver, exceto nas áreas de arroz inundado, e faixas ribeirinhas restritas. O Brasil possui uma grande área em sequeiro, tendo grande potencial para se desenvolver e produzir grandes safras com o auxílio da irrigação, devido ao grande potencial hídrico (HEINZE, 2002).

hectares

Conforme Mantovani et al. (2009), estimativas indicam que 5% das áreas cultivadas brasileiras são irrigadas, que corresponde a 16% da produção. As áreas brasileiras irrigadas com irrigação localizada por gotejamento é bem difundida na região Nordeste, com 176.755 hectares irrigados, seguido da região Sudeste com 116.210 hectares, região Centro-Oeste com 25.570 hectares, região Sul com 14.670 hectares e, por último, região Norte com 4.550

2.2 Irrigação localizada por gotejamento

A irrigação localizada por gotejamento é o método em que a água é aplicada diretamente à região do sistema radicular, em pequenas quantidades, porém, com alta freqüência, em que a umidade do solo é mantida próxima a capacidade de campo. Para isso, a água é aplicada por meio de orifícios denominados gotejadores. A água é aplicada gota a gota, deixando uma área molhada com forma circular. Dependendo do espaçamento entre os gotejadores, pode-se formar uma faixa molhada contínua, no caso de gotejadores próximos (BERNARDO et al., 2006).

Irrigação por gotejamento tem boa aceitabilidade dos irrigantes, pois oferece diversas vantagens a agricultura moderna, como por exemplo, economia de água e energia. A racionalização dos recursos hídricos e da energia se adapta as necessidades mundiais atuais, além de controle nas perdas por percolação, levando assim a uma elevada eficiência de aplicação de água, uniformidade de aplicação. Podem ser mencionadas outras vantagens como eficiência e facilidade na aplicação de fertilizantes, adaptação a diferentes tipos de solo e topografia e necessidade de pouca mão-de-obra (HERNANDEZ et al., 2001).

Contudo, este sistema apresenta desvantagens que podem ser superadas com o correto manejo do sistema, como a facilidade de entupimentos, intrusão de raízes. O alto custo inicial também pode ser um fator limitante à sua implantação (COELHO et al., 1999).

Para avaliar corretamente o sistema, o irrigante deve conhecer os valores de uniformidade de aplicação de água no solo e a eficiência do sistema. Assim, o correto manejo, influencia positivamente na qualidade da irrigação, no custo da irrigação e no desempenho da cultura no campo (SANTOS et al., 2003).

2.3 Gotejadores

Segundo Bernardo et al. (2006), os gotejadores representam as principais peças de um sistema de irrigação. Esses emissores, conectados às linhas laterais, tem a finalidade de dissipar a pressão disponível na linha lateral. Conforme Daker (1988), a vazão nos gotejadores varia entre 1 a 10 L.h-1, para pressões de 2 a 30 metros de coluna de água (m.c.a.), sendo mais utilizada a pressão de serviço de 10 m.c.a.

Para o correto funcionamento do sistema de irrigação por gotejamento, o sistema deve ser operado com pressões de operação adequadas; i) pressões de operação elevadas geram maiores consumos de energia; i) pressões de serviço baixas prejudicam o desempenho hidráulico do emissor. Pressões de operação adequadas associadas aos reduzido diâmetro da seção de escoamento dos emissores promovem menores consumos de água e energia. Por outro lado, as seções de escoamento de emissores muito reduzidas favorecem as obstruções, que é o maior problema no manejo deste tipo de sistema.

Conforme Bernardo et al., (2006), os emissores podem ser conectados na linha lateral de três diferentes formas: na linha, sobre a linha e no prolongamento da linha (Figura 1).

Figura 1. Tipos de conexões para gotejadores Fonte: Bernardo et al. (2006).

Segundo Keller e Karmeli (1974) para um funcionamento correto e eficiente do sistema, os emissores, em geral, devem apresentar características como: i) emissores tolerantes à variação de pressão; i) a vazão deve ser baixa, constante e uniforme; ii) possuir orifícios relativamente grandes para não ocorrer problemas com entupimentos; iv) apresentar preço acessível; v) apresentar boa uniformidade de fabricação, que é estabelecida pelo coeficiente de variação de fabricação (CVF); vi) suscetibilidade a inconvenientes como entupimento, precipitação de sais, sedimentação.

De acordo com Mantovani et al. (2009), a cultura a ser irrigada definirá o espaçamento e a disposição dos tubos gotejadores na área irrigada.

2.3.1 Equação característica de pressão versus vazão do emissor

A vazão dos emissores não é igual ao longo da linha lateral, devido às diferenças de pressão, causada pela perda de carga na tubulação e pela topografia do terreno. Segundo Keller e Karmeli (1974), as características geométricas dos emissores são fixas e a variação de pressão determina a variação da vazão (Equação 1).

= . (1) em que: q: vazão do gotejador (L.h-1); k: coeficiente específico de cada emissor; p: pressão na entrada do emissor (kPa); x: expoente que caracteriza o escoamento do gotejador.

De acordo com Keller e Karmeli (1974), quanto ao regime de escoamento, o emissor pode ser classificado em: i) emissor de regime laminar; i) emissor de regime turbulento; ii) emissor autocompensante. Normalmente, quando o emissor apresenta um regime laminar, o expoente x da equação tende a 1; quando o regime é turbulento o expoente x da equação 1 tende a 0,5; e quando o emissor é autocompensante o expoente x da equação 1 tende a 0. Quanto mais próximo de 0 (autocompensante) menor será a sensibilidade do emissor à variação de pressão.

2.4 Uniformidade de aplicação de água

2.4.1 Uniformidade de distribuição de água no solo

A qualidade e eficiência de aplicação da água dependem diretamente da uniformidade de emissão. A uniformidade demonstra como está o funcionamento dos emissores como um todo. A uniformidade ideal influencia positivamente no desenvolvimento da cultura e é considerada um dos fatores mais importantes no dimensionamento e na operação do sistema (BARRETO et al., 2000).

Segundo Nascimento et.al. (2009), para o cálculo da uniformidade de emissão uma expressão muito empregada é dada pela equação 2:

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