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Conceitos Básicos
O entendimento de conceitos fundamentais é essencial para o desenvolvimento de soluções eficientes e sustentáveis voltados à irrigação. Este primeiro módulo reúne os principais temas que servirão de alicerce para os conteúdos abordados ao longo da documentação.
Energia não é criada ou destruída.
Esse princípio fundamental:
- Engloba todas as formas de energia cinética, potencial, térmica, radiante, elétrica e sua igualdade com a massa;
- Está por traz de muitas das equações utilizadas na Irrigação e na Hidrologia;
- Continuidade;
- Trabalho-Energia (Bernoulli);
- Movimento de água no solo (Van Genutchen);
- Balanço hídrico da cultura;
O princípio foi aplicado na estruturação dos cadastros de Recursos Hídricos e de Projetos de Irrigação, permitindo sua aplicação na validação e análise das movimentações em diversos níveis da estrutura de irrigação.
Região fechada e de tamanho finito, onde podemos aplicar o princípio de conservação de energia e contabilidade para rastrear os fluxos de entrada e saída de água e energia.
A mudança de energia em um volume de controle, durante um intervalo de tempo, deve ser igual à quantidade de energia que entrou menos a quantidade de energia que saiu.
No sistema, são considerados volumes de controle:
- Bacias hidrográficas
- Cursos d’água
- Corpos d’água
- Projetos de irrigação
- Condutos
- Áreas de comando
- Locais agrícolas
- Fazendas
- Blocos
- Talhões
A figura abaixo ilustra alguma das váriáveis envolvidas no fluxo de um título por um conduto fechado.
Podemos aplicar o princípio da continuidade para fazer a contabilidade dos volumes de controle, conhecendo os fluxos de entrada e saída.
A massa de água conservada no volume de controle deve ser igual ao somatório do fluxos de entrada e de saída, multiplicados pelo intervalo de tempo considerado, como descrito na equação abaixo:
Essas extrações de dados ainda não estão no sistema, mas podem ser implementadas com facilidade dada sua estrutura.
Combinando as relações apresentadas anteriormente, podemos obter a eficiência do uso da água em várias escalas. O volume de entrada de um sistema é igual a soma do volume utilizado e do volume perdido:
A figura abaixo representa um projeto de irrigação com a derivação (distribuição via canal) dos volumes captados no ponto C para quatro pontos de bombeamento de água para a irrigação, vamos utilizar essa representação para demonstrar o cálculo da eficiência de distribuição.
O volume de entrada no sistema de controle é representado pelo produto entre a vazão média da captação e seu tempo de operação:
Podemos expandir a aplicação do princípio de conservação para descrever a relação trabalho - energia no fluxo constante de fluído em uma tubulação. Abaixo adicionamos variáveis representando essa relação ao diagrama de um trecho de tubulação apresentado anteriormente.
A equação de Bernoulli descreve matematicamente essas relações e o princípio da conservação através da igualdade entre dois pontos do conduto, o termos foram arranjados para que a unidade resultante seja o metro:
Utilizando a mesma estrutura apresentada para a eficiência do uso da água, podemos aplicar a equação de Bernoulli para analisar as perdas e ganhos de energia nos projetos de irrigação. Dessa forma, é possível determinar a eficiência energética dos projetos de irrigação em diferentes escalas e identificar pontos de melhoria.
Recursos hídricos são agrupados em bacias hidrográficas:
- Delimitada por um acidente geográfico, espigão, que faz a precipitação escoar para o seu eixo;
- Considerada como um volume de controle, assim como os corpos e cursos d’água que a compõe;
- Pode ser descrita em vários níveis, segundo a ottocodificação de Otto Pfafstetter;
A Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA) classificou as bacias hidrográficas do nosso território em sete níveis: Otto Nível 1, continental, ao Otto Nível 7, microrregiões. Esses níveis são ilustrados nas figuras abaixo.
Os níveis Otto escolhidos, assim como a representação hierárquica dos recursos hídricos no sistema, são escolhas dos gestores e dependem do nível de controle que se espera obter no sistema. A ANA mantém uma base de dados com todos os recursos hídricos do nosso território no portal do Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos, uma referência valiosa para os profissionais da irrigação.
O projeto de irrigação, normalmente, agrupa a infraestrutura implementada a partir de um único dimensionamento hidráulico e abastecida por água doce proveniente de um único ponto (ou trecho) de interferência de uma outorga de uso da água.
- Conjunto de estruturas e máquinas hidráulicas, infraestrutura de irrigação;
- Captando água doce ou residuária;
- Distribuindo essa água por :
- Adução, em condutos fechados (adutoras) e pressurizados;
- Derivação, em condutos abertos (canais), por gravidade;
- Irrigando campos agrícolas;
- Transpondo água para estruturas de reservação.
Para caracterizar o projeto de irrigação, utilizamos definições da literatura para criar nós que representam a sua estrutura.
- Projeto de irrigação - agrupa a infraestrutura de abastecimento de água.
- Bombeamento - representa o local e/ou infraestrutura utilizada na captação e bombeamento de água para irrigação, assim como as associações entre as motobombas.
- Conduto - representa os condutos abertos, canais, e fechados, adutoras, utilizados na derivação e distribuição de água.
- Recursos hídricos - representa os recursos hídricos entremeados na estrutura do projeto, como tanques de aeração e alvos para a transposição.
- Área de comando - conjunto de áreas efetivamente irrigadas do projeto, atendidas por um único tipo de sistema de irrigação.
- Setor - divisão gerencial e/ou hidráulica da área de comando.
- Quimigação - representa a infraestrutura utilizada para a injeção de insumos na água de irrigação.
Os nós de bombeamento têm algumas características especiais. Ligações entre nós de bombeamento e alocações de motobombas no nó podem ser utilizadas para representar associações em série e em paralelo.
Essas associações têm efeitos distintos. A associação em série resulta na soma das pressões dinâmicas das motobombas, e a associação em paralelo na soma das vazões dos equipamentos. Os efeitos da associação em série ainda não são contemplados pelo sistema, exigindo a descrição hidráulica dos condutos. As associações em paralelo têm efeito na contabilidade dos volumes produzidos pelos nós de bombeamento, de acordo com o gráfico à direita (figura abaixo).
A dimensionalidade correta das entidades utilizadas na irrigação é importante para manter a significância do que queremos representar e garante a coerência dos cálculos realizados na gestão da irrigação, portanto, devemos nos atentar à compatibilidade entre entidades, dimensões e unidades de medida utilizadas na sua representação. Podemos chegar às principais grandezas de interesse da irrigação através da análise dimensional.
| Dimensão | Grandeza | Notações |
|---|---|---|
 |  | * Lâmina - L na notação de análise dimensional * Expressa em milímetros (mm) * 1 mm = 0,001 m ≡ 1 l/m2 |
 |  | * Área Irrigada - L² na notação de análise dimensional * Expressa em hectares (ha) * 1 ha = 10.000 m² |
 |  | * Volume Irrigado - L³ na notação de análise dimensional * Expresso em metros cúbicos (m³) * 1 m³ = 1000 l |
 |  | * Tempo de Funcionamento - T na notação de análise dimensional * Expresso em horas (h) * 1 h = 60 min = 3600 s |
 |  | * Vazão - L3/ T na notação de análise dimensional * Expressa em metros cúbicos por hora (m3/h) * 1 m³/h = 1.000 l/h ≃ 0,278 l/s |
O cálculo da lâmina e sua significância depende da área utilizada no cálculo. Abaixo, são apresentadas as nomenclaturas das áreas utilizadas no sistema e variáveis obtidas a partir delas:
- Área topográfica: Proveniente do cadastro de locais agrícolas e utilizada no cálculo da lâmina de irrigação.
- Área prevista: Informada na abertura da ordem de serviço e utilizada no cálculo da lâmina prevista, da aderência e da completude.
- Área irrigada: Uma função do sistema de irrigação e dos dados de sua operação, utilizada no cálculo da lâmina do informe e da sobreposição.
- Área lançada: Somatório das áreas lançadas na ordem de serviço, representando a área efetivamente irrigada, utilizada no cálculo da lâmina realizada, da aderência, da completude e do número de lâminas.
- Área Irrigada: Calculada em função do sistema de irrigação e dos dados de operação dos equipamentos. Para os sistemas de irrigação fixos a área irrigada é igual ao somatório das áreas dos setores que compõe a área de comando, cadastrados na árvore de projetos de irrigação. Para os demais sistemas, os cálculos são demonstrados abaixo:
A classificação dos equipamentos de irrigação no sistema é primordial para sua caracterização, associação à estrutura do projeto e processamento dos dados de operação. Abaixo, temos uma chave dicotômica para a classificação dos equipamentos de irrigação:
A taxonomia dos equipamentos controla a disponibilidade e dimensionalidade das características de irrigação disponíveis para descrição das versões dos modelos.
| Variável | Unidade | Tipo Unidade | Conjuntos Motobomba | Asp. Conv. Fixo | Asp. Conv. Móvel | Asp. Mec. Carretel | Asp. Mec. Linear | Asp. Mec. Radial | Loc. Gotejo | Loc. Microasp. | Quimigação | Filtragem |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vazão de Projeto | L³/T | Vazão | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Pressão de Projeto | M/LT² | Pressão | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Rotação de Projeto | 1/T | Frequência | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Eficiência da Bomba | % | Adimensional | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Diâmetro do Rotor | L | Comprimento | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Eficiência de Aplicação | % | Adimensional | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Espaçamento na Linha | L | Comprimento | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Espaçamento na Entrelinha | L | Comprimento | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Vazão Máxima | L³/T | Vazão | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Vazão Mínima | L³/T | Vazão | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Rotação Máxima | 1/T | Frequência | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Rotação Mínima | 1/T | Frequência | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Comprimento da Lateral | L | Comprimento | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Comprimento não Irrigado | L | Comprimento | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Número de Emissores | - | Adimensional | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Tempo de Avanço | T | Tempo | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Diâmetro do Bocal do Emissor | L | Comprimento | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Coeficiente de Descarga do Emissor | - | Adimensional | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Pressão Média na Lateral | M/LT² | Pressão | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Vazão Média do Emissor | L³/T | Vazão | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Comprimento do Vão em Balanço | L | Comprimento | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raio do Canhão Final | L | Comprimento | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Número de Conjuntos | - | Adimensional | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Velocidade Caminhamento Padrão | L/T | Velocidade | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raio Molhado | L | Comprimento | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Volume do Tanque | L³ | Volume | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Pressão de Entrada | M/LT² | Pressão | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Pressão de Saída | M/LT² | Pressão | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Pressão Mínima de Saída | M/LT² | Pressão | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
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