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
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.
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):
 Civilizações têm prosperado
resultado da agricultura irrigada;
e
sucumbido
como
 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.
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.
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 & MORELSEYTOUX (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 LITERATURA
 DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE LINGUAGEM PASCAL
• ARRUDA (1993)
 Identificação do
problema;
 Selecionar a melhor
opção;
 Depuração (remoção de erros de
código);
 Investigar métodos de solução;
 Codificação;
 Testes e validação.
• KHAMBATA (1984)
 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)
Validação do programa
(teste)
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 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
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)
MATERIAL E MÉTODOS
MATERIAL E MÉTODOS
MATERIAL E MÉTODOS
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: 8.250 m2 (110 m x 75 m);
 Declividade: 3%.
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);
MATERIAL E MÉTODOS
PASSOS
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”).
• Encerrada a irrigação após a estabilização da vazão de saída.
• Registro da depleção e da recessão.
MATERIAL E MÉTODOS
 Quando se dispõe de valores dos parâmetros físicos do solo a
Lâmina Líquida pode ser calculada:
Zn


CC  PM


10 0xp a

 p xp f
w
r








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:
1
TR  Zn xETc x1000
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
Z r  K.Tr  f 0 .Tr
a
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).
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:
Tr11  Tr1 
Zr _ k  Tr1a _ f 0  Tr1
 a  k  Tr1a

 Tr  f
0
 1




MATERIAL E MÉTODOS
b) TEMPO DE AVANÇO
1. Vazão Máxima Não Erosiva:
Qmax
 Vmax  2  n

 60  S 0,5
1
0







 1 


  2 1 


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
b) TEMPO DE AVANÇO
2. Sulcos em Declive: A0 (área média molhada ou seção
transversal) determinada através da Equação de Manning:

Q0  n
A0  
 60    S 0,5
1
0


1

 2



MATERIAL E MÉTODOS
b) TEMPO DE AVANÇO
3. Tempo de Avanço (TL) através do Método Balanço de Volume:
Qs  TL  0,77  A0  L   x  k  TL  L   x f 0  TL  0
a
'
Onde:
σx = fator de forma sub-superficial d’água infiltrada, obtido pela Equação:
a  r 1  a   1
x 
1  a 1  r 
Sendo:
a = parâmetro de infiltração;
r = coeficiente da função do tempo de avanço

'
x
1

1  r 
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):
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:
T 
L1
 A0  L 

 5,0
 Qs 
2. Se
 
   x  k TL1
TL11  TL1 
Qs TL1   0,77  A0  L    


Qs  


T  'x  f  L 
0
 L1

L
   '  f 0 TL1   L
x
3. Então
a
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:
r11
Ln2 

 TL
Ln
T
 0,5 L




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.
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.
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
f0 
→ “a” foi calculado:
Qs  Qest 
 VL
LN 
 V0 , 5 L
a
 TL
LN 
 T0,5 L
L








→ “k” foi calculado:
VL
k
 z  TLa 
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)
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;
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.