3. Parâmetros para Dimensionamento de um Sistema de Irrigação por Aspersão Convencional

Você sabia que um sistema de irrigação precisa de alguns parâmetros e medições que vão determinar a aplicação de água controlada uniformemente e na medida certa para as plantas? Esses parâmetros são os seguintes: evapotranspiração de referência (ETo); disponibilidade total de água no solo (DTA); capacidade total de água no solo (CTA); capacidade real de água no solo (CRA); irrigação real necessária (IRN) ou lâmina líquida; irrigação total necessária (ITN) ou lâmina bruta; turno de rega; taxa de aplicação de água do aspersor e tempo por posição (TP). A partir de agora, você vai estudar passo a passo cada um desses parâmetros.

a) Evapotranspiração de Referência (ETo)

A ETo é a evapotranspiração da cultura grama (Batatais) que cobre todo o solo em pleno desenvolvimento sem restrições hídricas e nutricionais. A ETo pode ser estimada por várias equações, porém, a mais utilizada e conside- rada como padrão é a equação de Penman-Monteith, a qual necessita de dados meteorológicos.

b) Disponibilidade Total de Água do Solo (DTA)

A disponibilidade de água é considerada uma característica importante do solo, pois se refere à água nele contida entre a capacidade de campo (CC) e o ponto de murcha permanente (PMP). Veja a seguir como é calculada:

Onde:

DTA  = Disponibilidade Total de Água do solo, em mm/cm;

Cc = Capacidade de campo, em % em peso;

Pm = Ponto de murcha permanente, % em peso;

Da = Densidade aparente do solo, em g/cm3.

Obs.: observe que se os valores de umidade do solo forem dados em %Uvolume, NÃO será necessário multiplicá-los pela densidade aparente do solo (Da).

c) Capacidade Total de Água no Solo (CTA)

A capacidade total de água no solo (CTA) representa a quantidade total armazenada na zona radicular:

A equação que descreve essa capacidade é a seguinte:

CTA = DTA x Z

Onde:

CTA = Capacidade total de água do solo, em mm;

Z = profundidade efetiva do sistema radicular, em cm.

Obs.: Profundidade efetiva do sistema radicular é considerada aquela onde estão localizados 80% do sistema radicular da cultura. Confira abaixo a profundidade efetiva das principais culturas.

d) Capacidade Real de Água no Solo (CRA):

A capacidade real de água no solo (CRA) representa uma parte da capacidade total de água no solo (CTA), pois do ponto de vista da agricultura irrigada, não interessa planejar a utilização da água até o ponto de murcha da planta. A capacidade real de água no solo (CRA) é calculada pela seguinte fórmula:

CRA = CTA * f, onde f é o fator de disponibilidade.

O fator de disponibilidade (f) é um fator de segurança para o irrigante que tem como referência a umidade mínima a que uma cultura pode ser submetida sem afetar significativamente sua produtividade.

Para compreendermos melhor o fator de disponibilidade (f) de água no solo, iremos citar como exemplo o f da melancia, cujo valor é 0,5. Isso indica que devemos usar 50% da água disponível no solo para a manutenção da cultura. Quando o f for 0,3, significa usar 30% da água disponível.

Confira alguns valores recomendados de fator de disponibilidade (f) para algumas classes de culturas:

e) Irrigação Real Necessária (IRN) ou Lâmina Líquida:

A irrigação real necessária representa o consumo real de água pela cultura expressa em lâmina de água, a qual deverá ser adicionada ao solo para suprir a necessidade da planta. É determinada por meio da seguinte equação:

Onde:

IRN é a irrigação real necessária, em mm;

CC é a capacidade de campo com base em volume (cm3 água/cm3 solo);

Pm é o ponto de murcha permanente (cm3 água/cm3 solo);

Da é a densidade aparente do solo (g / cm3);

Z é a profundidade efetiva do sistema radicular (cm);

f é o fator de disponibilidade.

f) Irrigação Total Necessária (ITN) ou Lâmina Bruta:

A IRN representa a quantidade de água necessária para a planta, mas, durante a aplicação, existem perdas como evaporação, arraste, desuniformidade, percolação, etc. Assim, deve-se acrescentar certa quantidade para compensar essas perdas. Para isso, divide-se a IRN pela eficiência de irrigação. A seguir, tem-se a equação que descreve esse parâmetro.

Onde:

ITN = Irrigação total necessária, em mm;

IRN = Irrigação real necessária, em mm;

Ea = eficiência de aplicação, em %.

Obs.: Ea é em função da perda por evaporação direta, arraste pelo vento, erros de distribuição (uniformidade) e percolação. 

g) Turno de Rega:

Representa o intervalo de dias entre duas irrigações sucessivas. É descrito através da fórmula:

TR = IRN 

        ETc

É expresso em dias, uma vez que a IRN (irrigação real necessária) é expressa em mm e a ETc (evapotranspiração da cultura) em mm/dia. Ao se determinar o TR, é comum encontrar valor fracionário, mas, como só podemos usá-lo com valor inteiro, aproximamos para o imediatamente inferior.

Exemplo:

Se TR = 4,4 dias, adotaremos 4 dias e ajustamos o IRN em função do TR e da ETc.

h) Taxa de aplicação de água do aspersor (T):

T =     Vazão   

         (EL * EA)

Onde:
EL é o espaçamento entre laterais;
EA o espaçamento entre aspersores.

Exemplo:

Considerando que o aspersor a ser adotado para o exemplo em andamento tenha vazão de 4400 l/h e espaçamento de 12 x 18:

T =    Vazão           T =   4400          T = 20,4 mm/h

       (EL * EA)              (12*18)

i) Tempo por posição (TP):

O tempo que o aspersor vai permanecer numa mesma posição para irrigar pode ser calculado como:

TP =    ITN    

       T

Onde:
TP é o tempo por posição (horas);
ITN é irrigação total necessária (mm);
T é a taxa de aplicação de água do aspersor (mm/h).

Exemplo de aplicação:

Um sistema de irrigação por aspersão deverá ser dimensionado para irrigar uma área cujas dimensões são 340 m de largura por 540 m de comprimento. Os aspersores utilizados possuem as seguintes características operacionais: Ps = 40 mca; Q = 2,6 m3/h; Ra = 16 m; EA x EL= 12 x 16 m. A lâmina líquida de água máxima a ser retida no solo é 320 m3/ha com uma demanda evapotranspirométrica de 6,0 mm/d. O sistema opera com eficiência de aplicação de 80%.

a) Turno de Rega: onde: IRN=32 mm; ETc= 6 mm/d

 

TR = IRN      TR=  32       TR= 5,33 dias.

          ETc                6

Considerando que a lâmina de 32 mm é a máxima, ou seja, o f máximo, e como o TR obrigatoriamente tem que ser um número inteiro, utilizaremos uma lâmina de 30 mm para um TR de 5 dias.

b) Determinação da Lâmina Bruta:

ITN= IRN        ITN=  30           ITN = 37,5 mm

           Ea                   0,8

c) Taxa de Aplicação de Água no Aspersor:

T =       Q           T=     2,6         T = 0,01354 m3/h     T = 13,54 mm/h

      (EL * EA)         (12 * 16)

d) Tempo por Posição (TP):

TP=  ITN        TP=   37,5       TP= 2,7 h

          T                   13,54         

Problemas hidraulicamente determinados:

Agora, você vai ver os aspectos práticos que envolvem a análise do escoamento de fluidos em condutos forçados e de seção circular em regime permanente. Essa reunião de condições representa a maioria das situações com as quais uma grande parte dos projetistas de hidráulica se defronta no seu dia a dia.

A determinação do coeficiente de atrito (f) é feita pelo método de Swamee-Jain, por meio da fórmula a seguir. É importante a determinação desse coeficiente para se calcular a perda de carga que iremos determinar logo adiante.

No caso em estudo, que trata do escoamento de fluídos ao longo de tubulações, a natureza do escoamento (laminar ou turbulento) é determinada pelo parâmetro número de Reynolds, dado pela seguinte expressão:

Q = m3/s

D = 

Re = número de Reynolds (adimensional)

Obtido o número de Reynolds, o escoamento é classificado da seguinte forma:

para Re > 4000, o escoamento é turbulento;

para Re < 2000, o escoamento é laminar, e para 2000 < Re < 4000, ocorre uma zona de transição, na qual não se pode determinar com precisão as características do escoamento.

Em sua maioria, os sistemas hidráulicos operam sob o regime turbulento, sendo observado o escoamento laminar somente em algumas exceções, quando escoam vazões muito baixas.

Como calcular Perda de Carga:

Sempre que a água flui de um ponto para outro dentro das tubulações, existe certa perda de energia denominada perda de carga. Para o cálculo dessa perda de carga, temos que levar em conta alguns fato- res, como: o diâmetro da tubulação utilizada, a vazão que passa nessa tubulação, o comprimento de toda a tubulação (principal e secundária) e os acessórios ou conexões. A perda de carga pode ser:

• localizada: ocorre num local determinado que pode ser um ponto ou uma parte bem definida de uma canalização;

• distribuída: ocorre em consequência do escoamento ao longo da canalização.

Perda de carga total = perda de carga localizada + perda de carga distribuída.

A perda de carga é determinada pela seguinte fórmula:

Onde:

Q = vazão m3/s

D = diâmetro (m)

L = extensão (m)

f = coeficiente de atrito, calculado por Swamee – jain
g = aceleração da gravidade (m2/s)

Exemplo de aplicação: 

Determine a perda de carga numa tubulação com as seguintes características:

Q = 6,9 x 10-3 m3/s; 

D = 0,087 m;

L= 180 m;

f = 0, 0237

g = 9,81 (m2/s).

Como calcular Vazão – Q (m3/s)

Uma das variáveis mais importantes é o cálculo de vazão, pois através dele se pode quantificar o consumo, se avaliar a disponibilidade dos recursos hídricos. Para se determinar a vazão, primeiramente teremos que entendê-la. Antes de mais nada, a vazão é o volume de água que passa por uma determinada seção de um conduto, que pode ser livre ou forçado, por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um volume escoa.

Um conduto livre pode ser um canal, um rio ou uma tubulação. Um conduto forçado pode ser uma tubulação com pressão positiva ou negativa. Assim, pode-se escrever a vazão como:

Onde:

v = 1,01 x 10-6 m2/s.

Conhecendo-se: e, hf; L; D.

Como calcular o diâmetro D (m):

A escolha do diâmetro da tubulação é fundamental para o bom dimensionamento do projeto de irrigação. A vazão do projeto tem uma relação direta com o diâmetro da tubulação, pois quanto maior a vazão, maior será o diâmetro interno da tubulação. O cálculo do diâmetro é feito utilizando a fórmula a seguir:

Conhecendo-se: e, hf; L; Q.

Dimensionamento do sistema de irrigação por aspersão:

O principal objetivo do dimensionamento de um sistema de irrigação é suprir toda a necessidade de água da cultura onde a chuva é insuficiente ou inexistente. Para realizarmos o dimensionamento de um sistema de irrigação por aspersão, devemos seguir rigorosamente alguns parâmetros, como: dimensionamento das tubulações (laterais em nível e principal), altura manométrica total e potência da bomba. A seguir, você verá passo a passo cada um desses parâmetros.

a) Dimensionamento das tubulações:

Nas tubulações, devemos observar as linhas laterais em nível, a linha principal, a altura manométrica total e a potência do conjunto moto-bomba. Vejamos cada um desses itens a seguir.

- Linhas laterais em nível:

Para dimensionar uma linha lateral (L.L.) em nível, deve-se levar em consideração algumas questões, como: Qual será o número de aspersores inseridos na linha lateral e qual a vazão de cada aspersor? Qual será a vazão total e qual seu comprimento? Depois de respondidas essas questões, inicia-se o dimensionamento da linha lateral.

Para o dimensionamento de uma rede hidráulica, o parâmetro principal é o diâmetro da tubulação. Como o objetivo das equações é a determinação do diâmetro interno, é necessário verificar se existe comercialmente esse diâmetro por meio de consulta aos catálogos dos diferentes fabricantes; nem sempre o diâmetro nominal, que é utilizado na comercialização do produto, coincide com a real dimensão do diâmetro interno da tubulação.

- Linha principal:

O diâmetro da linha principal é determinado por três pontos fundamentais, relacionados a seguir, que devemos ter como referência.

• Determinação em função da velocidade média permitida ao longo da linha.

• Determinação tendo como base a perda de carga preestabelecida entre a primeira e a última linha lateral.

• Determinação em função da análise econômica. Consiste em minimizar a soma do custo fixo anual da tubulação com o custo anual de perda de carga. Dessa forma, é importante e necessário conhecer os custos das tubulações de diferentes diâmetros e o custo de energia, entre outros.

Altura Manométrica Total:

A altura manométrica do sistema corresponde à pressão máxima que a bomba deve fornecer. Para calcular a altura manométrica total, deve-se fazer o somatório das alturas estáticas de recalque e sucção, perdas de carga na linha e as pressões que são resultantes da diferença entre as pressões dos reservatórios de recalque e sucção.

Altura estática de sucção (hs) e altura estática de recalque (hr)

Para que se possa calcular a altura manométrica total (Hm) do sistema, utiliza- se a seguinte fórmula:

Hman = hs + hr + hfLP + Pi

Onde:
Hmam = altura manométrica total;

hs = altura geométrica de sucção;

hr = altura geométrica de recalque;
hfLP = perda de carga na linha principal
Pi = pressão na linha principal.

Exemplo de aplicação:

Determine a altura monométrica total, sabendo que:
hs = 2,2
hr = 20,5
hfLP = 12,2
Pi = 30

Hman = hs + hr + hfLP + Pi
Hman = 2,2 + 20,5 + 12,2 + 30 = 64,9 m

Potência do Conjunto Motobomba:

A definição da potência ou escolha de uma bomba centrífuga é feita essencialmente através de vazão de bombeamento e da altura manométrica total capaz de ser produzida pela bomba a esse caudal.

Onde:
Pot = potência da bomba (Cv)
Q = vazão (l /s)
Hman = altura manométrica;
RMB = eficiência da bomba.

Exemplo de aplicação:

Determine a potência do conjunto moto-bomba com as seguintes características:

Q = 32,8 l/s
Hman = 62 m
RMB = 0,70

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

- BERNARDO, S; MANTOVANI, E.C.; SILVA, D.D.; e SOARES, A.A. Manual de Irrigação. 9.ed. Viçosa: Editora UFV,2019. 545p.

- FERREIRA, Valber Mendes. Irrigação e Drenagem. Floriano/PI: EDUFPI, 2011. 126 p. (Técnico em Agropecuária).

- MANTOVANI, Everardo Chartuni; BERNARDO, Salassier;  PALARETTI, Luiz Fabiano. Irrigação: Princípios e Métodos. 3ª ed. atual. Viçosa/MG: Ed. UFV, 2009. 355p.