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Potential of the active heat pulse method with fiber optic temperature sensing for estimation of water content and infiltration in agricultural soils

  • Sayde, C.
  • Selker, J.
  • English, M.
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Gil Rodríguez, María
  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Benitez Buelga, Javier
The principle of temperature measurement along a fiber optic cable is based on the thermal sensitivity of the relative intensities of backscattered Raman Stokes and anti Stokes photons that arise from collisions with electrons in the core of the glass fiber. A laser pulse, generated by the Distributed Temperature Sensing unit DTS, traversing a fiber optic cable will result in Raman backscatter at two frequencies, referred to as Stokes and anti-Stokes.
Proyecto:


Ahorro de agua y energía en el riego subsuperficial

  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Gil Rodríguez, María
  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Juana Sirgado, Luis
La escasez de alimentos básicos es motivo de gran preocupación actual. La FAO, en su perspectiva para el año 2030 estima que la producción de los mismos debe crecer al ritmo de años anteriores. En consecuencia, la productividad de los cultivos debe aumentar, y el riego habrá de seguir teniendo un papel fundamental. Ahora bien, su marco de actuación no será el mismo que en épocas pasadas. La escasez de agua, el respeto al medio natural y la sostenibilidad de los ecosistemas serán los condicionantes a que deberá ajustarse el riego del futuro, y será un reto en los próximos años el desarrollo de la tecnología para mejorar sistemas de riego y lograr la aplicación del agua con riegos más eficientes. De entre los métodos modernos de riego, el riego subsuperficial es uno de los que se ve favorecido por los nuevos condicionantes, dado que ahorra agua al reducir o eliminar la evaporación, con resultados del riego que mejoran, en ocasiones, a los del goteo tradicional. Por otra parte, la carga en cabeza de estos sistemas es menor, por lo que también favorece el ahorro de energía. Si a esto añadimos que son adecuados para el uso de aguas residuales, su futuro aún es más prometedor. El trabajo destaca el potencial del riego subsuperficial para reducir el consumo de agua y de energía sin afectar a la capacidad de producción de otros riegos localizados.
Proyecto:


Distribución del agua en ramales de riego subsuperficial

  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Gil Rodríguez, María
  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Juana Sirgado, Luis
El riego por goteo subsuperficial es cada vez más utilizado. Entre sus ventajas con respecto a otros métodos de riego destaca la necesidad de una menor cantidad de agua ya que se reduce la evaporación. Una de las diferencias importantes de este riego con el de goteo superficial es que el desagüe del emisor puede verse afectado por las características hidrofísicas del suelo. En su punto de desagüe se produce una sobrepresión cuyo valor es mayor en suelos con infiltración pequeña. El efecto de esta sobrepresión es menos acusado en emisores compensantes, siempre que no se alcancen valores tales que la diferencia de presiones a ambos lados del elastómero se encuentre por debajo del límite inferior de su intervalo de compensación. El caudal de los emisores no compensantes se verá reducido, incluso con valores de sobrepesión pequeños, por lo que los altos índices de uniformidad característicos del riego por goteo superficial podrían verse reducidos en el riego subsuperficial. En el proyecto de sistemas de riego por goteo, la selección de las variables de proyecto se hace atendiendo a la variación hidráulica de la unidad y a la variabilidad de manufactura del gotero. Sin embargo, en el proyecto de unidades de riego subsuperficial se deben considerar también las características hidráulicas del suelo, que van a afectar a la sobrepresión del suelo y al gasto del emisor. El efecto de la sobrepresión condiciona, también, el manejo del sistema de riego. La programación del riego y la dosis a aplicar suelen calcularse considerando el caudal nominal del emisor. Predecir y comprobar en campo la distribución de agua a lo largo de un ramal de riego subsuperficial podría desaconsejar el uso de algunos modelos de emisores en determinados suelos, dada su mala uniformidad con éste método de riego.
Proyecto:


Aspectos Prácticos sobre las Llaves Hidráulicas Reguladoras de Presión

  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Juana Sirgado, Luis
  • Laguna Peñuelas, Francisco
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Losada Villasante, Alberto
Las llaves3 hidráulicas automáticas se usan en las redes de distribución a presión como elementos de control automático y maniobra. Una de sus funciones automáticas más frecuentes en redes de riego es la regulación de presión. En trabajos previos, pueden encontrarse diversas formas de modelar el funcionamiento ideal de las que tienen función de regulación de presión, para ser introducidas en el estudio de cuestiones hidráulicas relacionadas con las redes. Sin embargo, no se ha estudiado la regulación real de la presión, ni analizado la influencia de los diversos elementos anejos a la llave sobre la dicha regulación. Por esta razón, y porque la regulación de la presión está relacionada con los resultados de riego, en este trabajo se predice su funcionamiento real en régimen permanente, con base en el análisis y modelación matemática de los fenómenos físicos que se producen en los diferentes elementos que componen dichas llaves. Mediante la experimentación en laboratorio se han calibrado los parámetros del modelo presentado, así como contrastado la predicción del funcionamiento real mencionado. Estos parámetros pueden ser adoptados para caracterizar dichas llaves en su información técnica. Mediante el modelo se analiza la influencia que tiene sobre el funcionamiento de dichas llaves el ajuste físico de algunos de los diferentes elementos que las componen. También, para propósitos de proyecto, se estudia el punto de funcionamiento para el que una llave hidráulica dotada de piloto regulador de presión presenta la abertura máxima y, además, proporciona la presión de trabajo de la unidad de riego. Para que una llave automática reguladora de presión instalada en campo proporcione el funcionamiento mencionado, se propone un procedimiento, basado en la medida de presiones in situ, para ajustar el tornillo compresor del muelle del piloto regulador de presión de la llave. El procedimiento propuesto puede aplicarse incluso si se desconocen las características técnicas de la llave y del piloto.
Proyecto:


Consumo de energía con bombas de velocidad variable

  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Juana Sirgado, Luis
  • Laguna Peñuelas, Francisco
  • Losada Villasante, Alberto
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Castañon Lion, Guillermo
Se estudia en este trabajo el efecto de la variación de la velocidad de rotación de bombas en instalaciones de impulsión a redes en carga. El objetivo es minimizar el consumo de energía en impulsiones mediante el uso de bombas de velocidad variable. Se presenta una metodología para determinar los parámetros de programación de convertidores de frecuencia, máquinas empleadas para variar la velocidad de las bombas. Se aplica el estudio a tres variantes de una misma estación de bombeo compuesta por tres bombas en paralelo: una con tres bombas a régimen de rotación constante, otra con una de las tres bombas con velocidad variable y la última con las tres bombas con velocidad variable. El consumo de energía es función del caudal y, en los tres casos estudiados, es elevado para caudales pequeños. Se establece un valor de caudal mínimo por debajo del cual el consumo de energía es sustancialmente elevado. El uso de bombas de velocidad variable, además de elevar el agua a alturas más adecuadas a la demandada en la red de distribución y, por lo tanto, permitir reducir el consumo de energía, éste último depende menos del caudal, por comparación con bombas de velocidad constante. La reducción es mayor para caudales pequeños, aunque si son muy pequeños el consumo sigue siendo excesivamente elevado. El caudal por debajo del cual el consumo de energía es sustancialmente elevado es menor cuando se cuenta con al menos una bomba de velocidad variable. Por esta razón, las estaciones de bombeo con una o varias bombas de velocidad variable tienen un rango de caudal de trabajo más amplio que las de sólo cuentan con bombas de velocidad constante. Por último, el ahorro potencial de energía no siempre es mayor en una impulsión con varias bombas de velocidad variable que en otra con una bomba con velocidad variable, debido a la disipación de energía que tiene lugar en sus convertidores de frecuencia.
Proyecto:


Proyecto de unidades de riego por goteo: Presión óptima y coste de la uniformidad

  • Juana Sirgado, Luis
  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Castañon Lion, Guillermo
Se usa un método continuo de mínimo coste para sacar conclusiones para el proyecto de las unidades de riego por goteo rectangulares en las que se tiene una disponibilidad de caudal conocida y se quiere obtener una uniformidad dada. Se determina el reparto entre las pérdidas de carga en los ramales y en la tubería porta-ramales así como la presión óptima de trabajo de los goteros. Se contempla el caso de alimentación desde una boca con una disponibilidad de energía dada y el caso de alimentación desde una bomba. El método permite relacionar coste e uniformidad. Como índice de uniformidad se ha usado el coeficiente de variación estimado analíticamente. Ejemplos de aplicación ilustran el método y apunta a que los costes pueden aconsejar, en algunos casos, presiones nominales diferentes a las actuales. Como resultado, el método permite incrementar el uso del criterio económico en la toma de decisiones del proyecto de unidades de riego por goteo y la evaluación en términos de coste de cada decisión.
Proyecto:


Heated fiber optic distributed temperature sensing for measuring soil volumetric heat capacity and water content: A dual probe heat-pulse approach

  • Benitez Buelga, Javier
  • Sayde, C.
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Selker, J.
The first feasibility study of using dual-probe heated fiber optics with distributed temperature sensing to measure soil volumetric heat capacity and soil water content is presented. Although results using different combinations of cables demonstrate feasibility, further work is needed to gain accuracy, including a model to account for the finite dimension and the thermal influence of the probes. Implementation of the dual-probe heat-pulse (DPHP) approach for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with distributed temperature sensing heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring (e.g., simultaneous measurement at thousands of points). We applied uniform heat pulses along a FO cable and monitored the thermal response at adjacent cables. We tested the DPHP method in the laboratory using multiple FO cables at a range of spacings. The amplitude and phase shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity. Estimations of C at a range of moisture contents (θ = 0.09– 0.34 m3 m−3) suggest the feasibility of measurement via responsiveness to the changes in θ, although we observed error with decreasing soil water contents (up to 26% at θ = 0.09 m3 m−3). Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables. Although the results indicate that the method shows great promise, further study is needed to quantify the effects of soil type, cable spacing, and jacket configurations on accuracy.
Proyecto:


Irrigated agriculture: Water resources management for a sustainable environment

  • Provenzano, Giuseppe
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Roldán Cañas, José
In the last decade, research on irrigation has mainly been aimed at reducing crop water consumption. In arid and semi-arid environments, in relation to the limited water resources, the use of low quality water in agriculture has also been investigated in order to detect their effects on soil physical properties and on crop production. More recently, even the reduction of energy consumption in agriculture, as well as the effects of external factors, climate change and agricultural policies, have been major research interests. All these objectives have been considered in the papers included in this special issue. However, in the last years, approaches aimed at reducing crop water requirements have significantly changed. Remote sensing with satellites or unmanned vehicles, and vegetation spectral measurements, among others, represent in fact the newest frontier of existing technologies. Knowledge of soil hydraulic properties, often forgotten because of the difficulty of their estimation, can also be considered as a new way to reduce water consumption.
Proyecto:


Mapping variability of soil water content and flux across 1¿1000 m scales using the actively heated fiber optic method

  • Sayde, C.
  • Benitez Buelga, Javier
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Khoury, Laureine El
  • English, M.
  • Giesen, Nick Van de
  • Selker, J.
The Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method is shown to be capable of measuring soil water content several times per hour at 0.25 m spacing along cables of multiple kilometers in length. AHFO is based on distributed temperature sensing (DTS) observation of the heating and cooling of a buried fiber-optic cable resulting from an electrical impulse of energy delivered from the steel cable jacket. The results presented were collected from 750 m of cable buried in three 240 m colocated transects at 30, 60, and 90 cm depths in an agricultural field under center pivot irrigation. The calibration curve relating soil water content to the thermal response of the soil to a heat pulse of 10 W m−1 for 1 min duration was developed in the lab. This calibration was found applicable to the 30 and 60 cm depth cables, while the 90 cm depth cable illustrated the challenges presented by soil heterogeneity for this technique. This method was used to map with high resolution the variability of soil water content and fluxes induced by the nonuniformity of water application at the surface.
Proyecto:


Prototype emitter for use in subsurface drip irrigation: Manufacturing, hydraulic evaluation and experimental analyses

  • Souza, Wanderley de Jesus
  • Rodríguez Sinobas, Leonor
  • Sánchez Calvo, Raúl
  • Arriel Botrel, Tarlei
  • Duarte Coelho, Rubens
The current research aims to analyse theoretically and evaluate a self-manufactured simple design for subsurface drip irrigation (SDI) emitter to avoid root and soil intrusion. It was composed of three concentric cylindrical elements: an elastic silicone membrane; a polyethylene tube with two holes drilled on its wall for water discharge; and a vinyl polychloride protector system to wrap the other elements. The discharge of the emitter depends on the change in the membrane diameter when it is deformed by the water pressure. The study of the operation of this emitter is a new approach that considers mechanical and hydraulic principles. Thus, the estimation on the membrane deformation was based on classical mechanical stress theories in composite cylinders. The hydraulic principles considered the solid deformation due to force based on water pressure and the general Darcy–Weisbach head-loss equation. Twenty emitter units, with the selected design, were handcrafted in a lathe and were used in this study. The measured pressure/discharge relationship for the emitters showed good agreement with that calculated by the theoretical approach. The variation coefficient of the handcrafted emitters was high compared to commercial emitters. Results from field evaluations showed variable values for the relative flow variation, water emission uniformity and relative flow rate coefficients, but no emitter was obstructed. Therefore, the current emitter design could be suitable for SDI following further studies to develop a final prototype.
Proyecto:


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