Influence of the wind on water application uniformity of a mechanical lateral move irrigation equipment using rotating plate sprinklers

ABSTRACT: Investigations demonstrate that the wind is the factor that causes the biggest negative influence on water application of sprinkler irrigation systems. Therefore, this paper aims to evaluate, in in-field conditions, the influence of wind on the water distribution uniformity of a mechanical lateral move sprinkler system used for irrigation in rice crop in the South of Rio Grande do Sul State, Brazil. The equipment is located at the Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) of EMBRAPA/CPACT and operates with water emitters model I-Wob installed in drop tubes in a distance of 2.8m above the soil surface, having a uniform space of 2.3m between each other and pressure regulators of 68.9kPa. Sixteen in-field evaluations were done and they permitted to infer that the higher is the wind speed, the lower are the values of Christiansen Uniformity (CU) and of Distribution Uniformity (DU) coefficients. Besides, it can be affirmed that even in unfavorable wind conditions, the mechanical lateral move irrigation equipment presented desirable indexes of water application uniformity.

RESUMO: Estudos demonstram que o vento é o fator que causa maior influência negativa na aplicação de água de sistemas de irrigação por aspersão. Sendo assim, este estudo tem por objetivo avaliar, em condições de campo, a influência do vento sobre a uniformidade de distribuição de água de um sistema mecanizado do tipo lateral móvel, utilizado na irrigação de arroz no sul do Rio Grande do Sul. O equipamento, localizado no Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) da EMBRAPA/CPACT, opera com emissores de água modelo I-Wob instalados em tubos pendurais a uma distância de 2,8m da superfície do solo, espaçados uniformemente entre si em 2,3m, com reguladores de pressão de 68,9kPa. As 16 avaliações de campo realizadas permitiram inferir que quanto maior a velocidade do vento menor os valores dos coeficientes de uniformidade de Christiansen (CU) e de distribuição (UD). Além disso, pode-se afirmar que, mesmo em condições adversas de vento, o equipamento de irrigação mecanizada do tipo lateral móvel apresentou índices desejáveis de uniformidade de aplicação de água.

Influence of the wind on water application uniformity of a mechanical lateral move irrigation equipment using rotating plate sprinklers

ABSTRACT: Investigations demonstrate that the wind is the factor that causes the biggest negative influence on water application of sprinkler irrigation systems. Therefore, this paper aims to evaluate, in in-field conditions, the influence of wind on the water distribution uniformity of a mechanical lateral move sprinkler system used for irrigation in rice crop in the South of Rio Grande do Sul State, Brazil. The equipment is located at the Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) of EMBRAPA/CPACT and operates with water emitters model I-Wob installed in drop tubes in a distance of 2.8m above the soil surface, having a uniform space of 2.3m between each other and pressure regulators of 68.9kPa. Sixteen in-field evaluations were done and they permitted to infer that the higher is the wind speed, the lower are the values of Christiansen Uniformity (CU) and of Distribution Uniformity (DU) coefficients. Besides, it can be affirmed that even in unfavorable wind conditions, the mechanical lateral move irrigation equipment presented desirable indexes of water application uniformity.

RESUMO: Estudos demonstram que o vento é o fator que causa maior influência negativa na aplicação de água de sistemas de irrigação por aspersão. Sendo assim, este estudo tem por objetivo avaliar, em condições de campo, a influência do vento sobre a uniformidade de distribuição de água de um sistema mecanizado do tipo lateral móvel, utilizado na irrigação de arroz no sul do Rio Grande do Sul. O equipamento, localizado no Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) da EMBRAPA/CPACT, opera com emissores de água modelo I-Wob instalados em tubos pendurais a uma distância de 2,8m da superfície do solo, espaçados uniformemente entre si em 2,3m, com reguladores de pressão de 68,9kPa. As 16 avaliações de campo realizadas permitiram inferir que quanto maior a velocidade do vento menor os valores dos coeficientes de uniformidade de Christiansen (CU) e de distribuição (UD). Além disso, pode-se afirmar que, mesmo em condições adversas de vento, o equipamento de irrigação mecanizada do tipo lateral móvel apresentou índices desejáveis de uniformidade de aplicação de água.

Influence of the wind on water application uniformity of a mechanical lateral move irrigation equipment using rotating plate sprinklers / Influência do vento na uniformidade de aplicação de água de um equipamento de irrigação mecanizada tipo lateral móvel usando emissores de placa oscilante

Investigations demonstrate that the wind is the factor that causes the biggest negative influence on water application of sprinkler irrigation systems. Therefore, this paper aims to evaluate, in in-field conditions, the influence of wind on the water distribution uniformity of a mechanical lateral move sprinkler system used for irrigation in rice crop in the South of Rio Grande do Sul State, Brazil. The equipment is located at the Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) of EMBRAPA/CPACT and operates with water emitters model I-Wob installed in drop tubes in a distance of 2.8m above the soil surface, having a uniform space of 2.3m between each other and pressure regulators of 68.9kPa. Sixteen in-field evaluations were done and they permitted to infer that the higher is the wind speed, the lower are the values of Christiansen Uniformity (CU) and of Distribution Uniformity (DU) coefficients. Besides, it can be affirmed that even in unfavorable wind conditions, the mechanical lateral move irrigation equipment presented desirable indexes of water application uniformity.(AU)

Estudos demonstram que o vento é o fator que causa maior influência negativa na aplicação de água de sistemas de irrigação por aspersão. Sendo assim, este estudo tem por objetivo avaliar, em condições de campo, a influência do vento sobre a uniformidade de distribuição de água de um sistema mecanizado do tipo lateral móvel, utilizado na irrigação de arroz no sul do Rio Grande do Sul. O equipamento, localizado no Campo Experimental de Terras Baixas (ETB) da EMBRAPA/CPACT, opera com emissores de água modelo I-Wob instalados em tubos pendurais a uma distância de 2,8m da superfície do solo, espaçados uniformemente entre si em 2,3m, com reguladores de pressão de 68,9kPa. As 16 avaliações de campo realizadas permitiram inferir que quanto maior a velocidade do vento menor os valores dos coeficientes de uniformidade de Christiansen (CU) e de distribuição (UD). Além disso, pode-se afirmar que, mesmo em condições adversas de vento, o equipamento de irrigação mecanizada do tipo lateral móvel apresentou índices desejáveis de uniformidade de aplicação de água.(AU)

Development, sensitivity and uncertainty analysis of LASH model

Many hydrologic models have been developed to help manage natural resources all over the world. Nevertheless, most models have presented a high complexity regarding data base requirements, as well as, many calibration parameters. This has brought serious difficulties for applying them in watersheds where there is scarcity of data. The development of the Lavras Simulation of Hydrology (LASH) in a GIS framework is described in this study, which focuses on its main components, parameters, and capabilities. Coupled with LASH, sensitivity analysis, parameter range reduction, and uncertainty analysis were performed prior to the calibration effort by using specific techniques (Morris method, Monte Carlo simulation and a Generalized Likelihood Uncertainty Estimation -GLUE) with a data base from a Brazilian Tropical Experimental Watershed (32 km²), in order to predict streamflow on a daily basis. LASH is a simple deterministic and spatially distributed model using long-term data sets, and a few maps to predict streamflow at a watershed outlet. We were able to identify the most sensitive parameters which are associated with the base flow and surface runoff components, using a reference watershed. Using a conservative threshold, two parameters had their range of values reduced, thus resulting in outputs closer to measured values and facilitating automatic calibration of the model with less required iterations. GLUE was found to be an efficient method to analyze uncertainties related to the prediction of mean daily streamflow in the watershed.

Diversos modelos hidrológicos têm sido desenvolvidos no intuito de auxiliar na gestão de recursos naturais em todo o mundo. Porém, a maioria desses modelos apresenta um alto grau de complexidade em relação tanto à necessidade de base de dados, quanto ao número de parâmetros de calibração. Em virtude desses fatores, se torna difícil a aplicação em bacias hidrográficas que têm bases de dados reduzidas. Neste artigo é descrito o desenvolvimento do modelo Lavras Simulation of Hydrology (LASH) em uma estrutura de SIG, buscando enfatizar seus principais componentes e parâmetros, bem como suas potencialidades. Além da descrição do modelo, também foram realizadas a análise de sensibilidade, a redução do intervalo de parâmetros e a análise de incertezas, anteriormente à fase de calibração, utilizando metodologias específicas (método de Morris, simulação de Monte Carlo e o método Generalized Likelihood Uncertainty Equation (GLUE)), com a base de dados de uma bacia hidrográfica experimental tropical brasileira (32 km²), a fim de simular a vazão total média diária. O LASH é um modelo classificado como determinístico e distribuído, que utiliza dados de longo termo e poucos mapas para predizer vazão na seção de controle de bacias hidrográficas. Foi possível identificar os parâmetros mais sensíveis do modelo para a bacia hidrográfica de referência, os quais estão associados com os componentes de escoamento de base e superficial direto. Em função do limiar conservador utilizado neste estudo, foram reduzidos os intervalos de dois parâmetros, dessa forma gerando resultados simulados mais realísticos e também facilitando a calibração automática do modelo com um menor número de iterações necessárias. O método da GLUE mostrou ser eficiente frente à análise de incertezas relacionadas à predição de vazão na bacia de estudo.

Development, sensitivity and uncertainty analysis of LASH model

Many hydrologic models have been developed to help manage natural resources all over the world. Nevertheless, most models have presented a high complexity regarding data base requirements, as well as, many calibration parameters. This has brought serious difficulties for applying them in watersheds where there is scarcity of data. The development of the Lavras Simulation of Hydrology (LASH) in a GIS framework is described in this study, which focuses on its main components, parameters, and capabilities. Coupled with LASH, sensitivity analysis, parameter range reduction, and uncertainty analysis were performed prior to the calibration effort by using specific techniques (Morris method, Monte Carlo simulation and a Generalized Likelihood Uncertainty Estimation -GLUE) with a data base from a Brazilian Tropical Experimental Watershed (32 km²), in order to predict streamflow on a daily basis. LASH is a simple deterministic and spatially distributed model using long-term data sets, and a few maps to predict streamflow at a watershed outlet. We were able to identify the most sensitive parameters which are associated with the base flow and surface runoff components, using a reference watershed. Using a conservative threshold, two parameters had their range of values reduced, thus resulting in outputs closer to measured values and facilitating automatic calibration of the model with less required iterations. GLUE was found to be an efficient method to analyze uncertainties related to the prediction of mean daily streamflow in the watershed.

Diversos modelos hidrológicos têm sido desenvolvidos no intuito de auxiliar na gestão de recursos naturais em todo o mundo. Porém, a maioria desses modelos apresenta um alto grau de complexidade em relação tanto à necessidade de base de dados, quanto ao número de parâmetros de calibração. Em virtude desses fatores, se torna difícil a aplicação em bacias hidrográficas que têm bases de dados reduzidas. Neste artigo é descrito o desenvolvimento do modelo Lavras Simulation of Hydrology (LASH) em uma estrutura de SIG, buscando enfatizar seus principais componentes e parâmetros, bem como suas potencialidades. Além da descrição do modelo, também foram realizadas a análise de sensibilidade, a redução do intervalo de parâmetros e a análise de incertezas, anteriormente à fase de calibração, utilizando metodologias específicas (método de Morris, simulação de Monte Carlo e o método Generalized Likelihood Uncertainty Equation (GLUE)), com a base de dados de uma bacia hidrográfica experimental tropical brasileira (32 km²), a fim de simular a vazão total média diária. O LASH é um modelo classificado como determinístico e distribuído, que utiliza dados de longo termo e poucos mapas para predizer vazão na seção de controle de bacias hidrográficas. Foi possível identificar os parâmetros mais sensíveis do modelo para a bacia hidrográfica de referência, os quais estão associados com os componentes de escoamento de base e superficial direto. Em função do limiar conservador utilizado neste estudo, foram reduzidos os intervalos de dois parâmetros, dessa forma gerando resultados simulados mais realísticos e também facilitando a calibração automática do modelo com um menor número de iterações necessárias. O método da GLUE mostrou ser eficiente frente à análise de incertezas relacionadas à predição de vazão na bacia de estudo.

Spatial distribution of top soil water content in an experimental catchment of Southeast Brazil

Soil water content is essential to understand the hydrological cycle. It controls the surface runoff generation, water infiltration, soil evaporation and plant transpiration. This work aims to analyze the spatial distribution of top soil water content and to characterize the spatial mean and standard deviation of top soil water content over time in an experimental catchment located in the Mantiqueira Range region, state of Minas Gerais, Brazil. Measurements of top soil water content were carried out every 15 days, between May/2007 and May/2008. Using time-domain reflectometry (TDR) equipment, 69 points were sampled in the top 0.2 m of the soil profile. Geostatistical procedures were applied in all steps of the study. First, the spatial continuity was evaluated, and the experimental semi-variogram was modeled. For the development of top soil water content maps over time a co-kriging procedure was used having the slope as a secondary variable. Rainfall regime controlled the top soil water content during the wet season. Land use was also another fundamental local factor. The spatial standard deviation had low values under dry conditions, and high values under wet conditions. Thus, more variability occurs under wet conditions.

A umidade do solo é essencial para o entendimento do ciclo hidrológico, uma vez que controla a geração do escoamento superficial, infiltração de água no solo, evaporação do solo e transpiração das plantas. Este trabalho objetivou analisar os padrões espaciais da umidade superficial do solo e caracterizar a média e o desvio padrão espaciais da mesma ao longo do tempo em uma bacia hidrográfica experimental localizada na Serra da Mantiqueira, MG. As medidas da umidade superficial do solo foram conduzidas a cada 15 dias, entre Maio/2007 e Maio/2008, usando um equipamento TDR portátil, em 69 pontos amostrados na camada de 0-20 cm. Procedimentos geoestatísticos foram aplicados em todas as etapas do trabalho. Primeiramente, a continuidade espacial foi avaliada modelando-se o semivariograma experimental. Mapas de umidade do solo foram desenvolvidos com base na cokrigagem usando o padrão de declividade como variável secundária. O regime de chuvas controlou a umidade superficial do solo durante o período úmido, devido aos altos conteúdos de umidade. O uso do solo também foi outro fator fundamental na distribuição espacial da umidade do solo. O desvio padrão espacial apresentou baixos valores sob condições secas e valores mais altos sob condições úmidas.

Spatial distribution of top soil water content in an experimental catchment of Southeast Brazil

Soil water content is essential to understand the hydrological cycle. It controls the surface runoff generation, water infiltration, soil evaporation and plant transpiration. This work aims to analyze the spatial distribution of top soil water content and to characterize the spatial mean and standard deviation of top soil water content over time in an experimental catchment located in the Mantiqueira Range region, state of Minas Gerais, Brazil. Measurements of top soil water content were carried out every 15 days, between May/2007 and May/2008. Using time-domain reflectometry (TDR) equipment, 69 points were sampled in the top 0.2 m of the soil profile. Geostatistical procedures were applied in all steps of the study. First, the spatial continuity was evaluated, and the experimental semi-variogram was modeled. For the development of top soil water content maps over time a co-kriging procedure was used having the slope as a secondary variable. Rainfall regime controlled the top soil water content during the wet season. Land use was also another fundamental local factor. The spatial standard deviation had low values under dry conditions, and high values under wet conditions. Thus, more variability occurs under wet conditions.

A umidade do solo é essencial para o entendimento do ciclo hidrológico, uma vez que controla a geração do escoamento superficial, infiltração de água no solo, evaporação do solo e transpiração das plantas. Este trabalho objetivou analisar os padrões espaciais da umidade superficial do solo e caracterizar a média e o desvio padrão espaciais da mesma ao longo do tempo em uma bacia hidrográfica experimental localizada na Serra da Mantiqueira, MG. As medidas da umidade superficial do solo foram conduzidas a cada 15 dias, entre Maio/2007 e Maio/2008, usando um equipamento TDR portátil, em 69 pontos amostrados na camada de 0-20 cm. Procedimentos geoestatísticos foram aplicados em todas as etapas do trabalho. Primeiramente, a continuidade espacial foi avaliada modelando-se o semivariograma experimental. Mapas de umidade do solo foram desenvolvidos com base na cokrigagem usando o padrão de declividade como variável secundária. O regime de chuvas controlou a umidade superficial do solo durante o período úmido, devido aos altos conteúdos de umidade. O uso do solo também foi outro fator fundamental na distribuição espacial da umidade do solo. O desvio padrão espacial apresentou baixos valores sob condições secas e valores mais altos sob condições úmidas.