Prime verifiche del laboratorio nazionale dell'irrigazione nel settore degli irrigatori a pioggia

Vol. 4 • No2 • junio 1997 p. 37 PRIME VERIFICHE DEL LABORATORIO NAZIONALE DELL'IRRIGAZIONE NEL SETTORE DEGLI IRRIGATORI A PIOGGIA Pier Gino Megale1 RESUMEN: Se presenta una breve descripción del Laboratorio Nacional del Riego de Italia y su banco de ensayo cubierto de riego por aspersión, así como las especificaciones de los procedimientos de prueba utilizados para evaluar las prestaciones del sistema y de las unidades. El primer ensayo completo con los métodos descritos fue realizado con un pequeño aspersor de turbina de Rain Bird, utilizado en jardines y pequeñas zonas verdes. Los resultados se describen en términos de los parámetros de calificación propuestos por este Laboratorio, que son análogos a los que describen las normas ISO. La distribución del agua en el suelo se ilustra mediante diagramas espaciales e histogramas de frecuencia. Los polígonos de área humeda acumulada proveen una representación bastante efectiva de la distribución del agua en el suelo, lo que permite una determinación inmediata del campo de variación del caudal del aspersor comparado con los valores medios, conforme aumenta el área bañada por el mismo Este primer ensayo confirma que la metodología utilizada, así como la capacidad operativa y funcional del banco de ensayos responden perfectamente a los requisitos que se buscaban en la fase de diseño PREMESSA Con legge 1° luglio 1977, n. 403 è stato isitituito il Laboratorio Nazionale dell 'Irrigazione destinato alla verifica, promozione ed omologazione ufficiale delle apparecchiature irrigue ed allo studio e divulgazione di nuove tecniche irrigue. Il laboratorio, realizzato dall' Università di Pisa per conto del Ministero delle risorse agricole, alimentari e forestali, è affidato al Settore idraulica agraria ed ingegneria del territorio del Dipartimento di agronomia e gestione dell'agro-ecosistema della medesima università. Alcune difficoltà burocratiche ne hanno ritardato la realizzazione fino al 1991 e soltanto di recente, dopo un periodo di scrupolosa messa a punto, il laboratorio ha iniziato a lavorare anche nel settore dell' irrigazione ad aspersione, grazie al banco di prova al coperto per irrigatori a pioggia di cui il laboratorio è dotato. In questo articolo, dando notizia dell'inizio della nuova attività, si riferiscono le esperienze condotte su un piccolo irrigatore a scomparsa da giardinaggio, il primo sottoposto alla completa procedura di prova, illustrando nel contempo il funzionamento del banco ed i metodi di prova adottati. IL LABORATORIO Con il Laboratorio Nazionale dell'Irrigazione il ministero dell'agricoltura ha inteso realizzare un centro attrezzato e specializzato che, in stretta simbiosi col mondo universitario, può fornire un prezioso servizio all'agricultura ed a tutto il mondo tecnico ed industriale legato all'irrigazione (Megale, 1993). Il Laboratorio è stato realizzato nei dintorni di Pisa, in una zona già sede di altre strutture universitarie e di ricerca, ristrutturando un capannone agricolo del secolo passato (Figura 1). L'intervento di trasformazione, pur rispettando le peculiari caratteristiche architettoniche e costruttive del vecchio edificio, ha prodotto una struttura moderna, sufficientemente funzionale e ben articolata con qualche pretesa di sobria eleganza. All'interno del fabbricato sono stati realizzati 460 m2 di laboratori serviti da circa 260 m2 di uffíci e da 120 m2 di locali accessori. Oltre i due terzi della superficie dei laboratori sono occupati dal laboratorio di idraulica e dal banco di prova degli irrigatori a pioggia, che si affianca al vecchio banco per gocciolatori, in via di smantellamento, ed a quello più recente per linee gocciolanti integrali fino a 200 m di lunghezza. 1 Dipartimento di Agronomía e Gestione dell 'Agro-Ecosistema. Settore idraulica Agraria e Ingegneria del Territorio. Universitá degli Studi di Pisa. Via S. Michele degli Scalzi, 2 -56124Pisa, Italia. Laboratorio Nazionale dell 'Irrigazione - pgmega[email protected]i.it Artículo publicado en Ingeniería del Agua. Vol.4 Num. 2 (junio 1997), páginas 37-46, recibido el 31 de julio de 1996 y aceptado para su publicación el 9 de abril de 1997. Pueden ser remitidas discusiones sobre el artículo hasta seis meses después de la publicación del mismo. En el caso de ser aceptadas, las discusiones serán publicadas conjuntamente con la respuesta de los autores en el primer número de la revista que aparezca una vez transcurrido el plazo indicado. EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO p. 38 Vol. 4 N°2 junio 1997 Figura 1: Il capannone completamente ristrutturato sede del Laboratorio Nationale dell 'Irrigazione IL BANCO AL COPERTO PER IRRIGATORI APIOGGIA L'elemento piü rilevante del Laboratorio è rappresentato dal banco di prova per irrigatori che, ricollegandosi all'esperienza avviata nel 1953 dal Prof. Stefanelli a Bologna (Manfredi, 1954,1957,1961) (Stefanelli, 1954, 1955), viene a sanare una carenza inammissibile per un paese come I’Italia, tradizionalmente all'avanguardia nel settore dell'irrigazione (Stefanelli, 1952) (Centro Studi Irrigazione, 1958) (ANBI, 1964). Il nuovo banco è concepito per avere una grande elasticità di utilizzazione, ehe ne fa un efficace strumento di ricerca oltre ehe di verifica ed omologazione. Per definirne adeguatamente i requisiti tecnici e funzionali, il progetto e stato preceduto da un'indagine sulle soluzioni (Culver, Sinker, 1966) (Kohl, 1972) (Fiscer, Wallen-der, 1986) (Hodges et al., 1990), sulle procedure (CTGREF, 1978), (DAE, 1983), (Tarjuelo et al., 1992) e sulle norme di prova adottate dai laboratori di altri paesi (ASAE, 1989) (ISO, 1990) (Megale, 1992). I parametri e le proceFigura 2: Banco prova per irrigatori con gittata fino a 28m dure esaminate scaturiscono da orientamenti sperimentali diversi, che pur non influendo in modo decisivo sulle apparecchiature, determinano metodi di prova differenti. Infatti mentre in taluni casi si predilige un'indagine ehe consenta di indicare agli utenti le prestazioni degli irrigatori e che permetta ai costruttori di verificare dei risultati delle loro innovazioni (Van Zyl, 1986), in altri casi lo scopo principale e quello di verificare ehe le prestazioni dei prodotti di Serie rispettino le caratteristiche dichiarate dal costruttore (ISO, 1986). Sapendo ehe in Italia non sarebbe stato possibile sviluppare subito un vero e proprio servizio di omologazione, nel progettare il banco si e fatto riferimento a procedure piü tipicamente sperimentali (Megale, 1994). Figura 3: Schema planimelrico del banco al coperto per irrigatori a pioggia EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO Vol. 4 • Nº 1 • junio 1997 p. 39 Il banco è costituito essenzialmente da 54 punti mobili di misura, realizzati da pluviometri circolari di 0,1 m2 di superficie, che, tramite altrettante celle di carico, rilevano la pluviometria dell'irrigatore lungo un raggio dell'area bagnata in asse ad un settore circolare di ampiezza variabile con la distanza dall'irrigatore (Figura 2). La contrazione del settore bagnato è ottenu-ta con schermi in rete che, senza produrre interferenze sulla misura della pluviometria, ne riducono l'apertura da 70°, in prossimità dell'irrigatore, a 10° in corrispondenza dei pluviometri più lontani (Figura 3). Il complesso dei pluviometri e quello dei relativi elementi di misura sono montati su telai di sostegno indipendenti, per impedire la trasmissione alle celle di carico delle vibrazioni delle parti investite dal getto degli irrigatori. I pluviometri sono posti normalmente ad interasse di 0,5 m e coprono una gittata massima di 28 m. L'irrigatore, installato all'interno di una torretta di schermatura, è montato su un sostegno tubolare registrabile col centro del boccaglio principale 60 cm sopra della bocea dei pluviometri. Un sistema servomeccanizzato permette di modificare la posizione dell'irrigatore, ruotando il sostegno con incrementi programmabili. La velocità di rotazione dell'irrigatore è rilevata da un sistema a cellula fotoelettrica mosso dall'irrigatore stesso tramite un accoppiamento meccanico (Figura 4). L'irrigatore è aliméntato da una elettropompa tramite una condotta con by-pass che scarica la pórtata in eccesso nella vasca di ricircolo. Attraverso due regolatori digitali, comandati da altrettanti transmettitori di pressione, due due valvole di regolazione con attuatore pneumático regolano la pressione all'irrigatore. La portata è misurata con due misuratori elettromagnetici di precisione con différend campi di misura montati in parallelo sulla mandata (Figura 5). Figura4: Torretta di installazione dell 'irrigatore. Tutto il complesso è controllato da un sistema eleltronico che provvede a regolare la pressione all'irrigatore, a ruotarne il sostegno, a comandare il vuotamento dei misuratori di pioggia ad ogni fase di prova ed a misurare e registrare la portata e la velocità di rotazione Figura 5: Schema del sistema di alimentazione e di misura del banco prova irrigatori EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO p. 40 Vol. 4 • N°2 • junio 1997 Figura6: Schermo di contrllo del sistema di comando ed acqisizione del banco prova per irrigatori. dell'irrigatore, la temperatura dell'acqua, la temperatura e l'umidità dell'aria, nonché la quantità di pioggia rac-colta da ogni pluviómetro con una frequenza pari a que-lla di rotazione dell'irrigatore (Figura 6). I dati rilevati e registrati temporaneamente nella memoria locale, sono elaborad secondo procedure impostate dall'operatore ed i risultati sono definitivamente memorizzati nella memoria di massa della rete del Laboratorio, per successive ulteriori indagini ed elaborazioni. PROCEDURA DI PROVA E PARAMETRl DI QUALIFICAZIONE Sfruttando l'alto livello di automazione del banco, la procedura vuole individuare le prestazioni dell'irrigatore nelle migliori condizioni di esercizio, dando una stima delle relative variabilità e verificare come tali prestazioni e dispersioni si modifichino al variare delle condizioni di funzionamento (Megale, 1995). II campione è costituito da 5 esemplari ell'irrigatore, tutti dotati del medesimo boccaglio. Di norma la prova è effettuata escludendo, là dove vi sia, il rompigetto. Ad uno ad uno tutti gli esemplari del campione sono sottoposti alla medesima procedura di prova. Procedura di prova Dopo un'ora di rodaggio alla pressione indicata dal costruttore come quella a cui corrispondono le migliori prestazioni dell'irrigatore, viene effettuata la prova di rotazione, che consiste nel determinare su 10 giri consecutivi la media del periodo di rotazione e del tempo impiegato dall'irrigatore per compiere ciascun quarto di giro. II più alto valore assoluto degli scarti relativi rispetto alla media dei tempi di percorrenza di ciascuno dei 4 quadranti è assunto come elemento di valutazione dell'uniformità di rotazione tramite il seguente parametro: dove Ur= uniformità di rotazione del singolo elemento del campione; tjµ= media su 10 giri dei tempi impiegati per percorrere il quadrante j; Tµ= periodo di rotazione medio calcolato su 10 giri. Terminata questa fase ha inizio la misura della distribuzione della pioggia; ad ogni giro dell'irrigatore il sistema rileva l'acqua intercettata dai pluviometri e ne registra il valore cumulato. La prova dura normalmente 1 h ed ogni quarto d'ora l'irrigatore è ruotato di 90°, così che al termine della prova stessa i valori cumulati dell'acqua raccolta dai pluviometri forniscono l'andamento medio radiale della pioggia nelle 4 direzioni. Naturalmente durante la prova vengono rilevate con la stessa frequenza di rilevamento della pluviometria anche la pressione all'irrigatore, la sua portata e le temperature dell'acqua e dell'aria. La medesima procedura, rodaggio a parte, è ripetuta ad altre due pressioni l'una superiore e l'altra inferiore del 10% rispetto alla precedente. Parametri di qualificazione Al termine delle prove, conoscendo il funzionamento di cinque irrigatori a tre diverse pressioni centrate sul campo di esercizio, è possibile descrivere le prestazioni dell'irrigatore in diverse condizioni di funzionamento attraverso i seguenti parametri. a) Portata Per la portata è fornita la portala media del campione a ciascuna pressione di prova ed il relativo coefficiente di variazione. b) Rotazione Per la rotazione è fornito il periodo medio del campione a ciascuna pressione di prova ed il relativo coefficiente di variazione. Anche la valutazione dell'uniformità di rotazione avviene tramite il valore medio delle uniformità di rotazione dei singoli irrigatori, come definite in precedenza, e tramite il loro scarto quadratico medio. In relazione alla grande importanza dell'uniformità di rotazione si ritiene opportune che sia rispettato un limite minimo del 90% con un frattile dell'uno per cento, ovvero che con un campione di 5 esemplari sia soddisfatta la condizione: dove Sq= statistica di qualità secondo ISO 3951; Urm= uniformità di rotazione del campione; s= scarto quadratico medio. c) Gittata Per ciascuna pressione di prova la gittata è definita dalla media delle gittate del campione, intese come la massima distanza dall'irrigatore a cui si verifica un'intensitá di pioggia non inferiore a 0,2 mm/h. d) Distribuzione dell 'acqua La distribuzione dell'acqua è rappresentata fondamentalmente dal diagramma pluviometrico medio del campione. Per valutare la dispersione dei dati pluviometrici intorno ai valori medi si ricorre ad un parametro, indicato come scostamento dal diagramma pluviometrico, definito dalla seguente espressione: EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO Vol. 4 • N° 1 • junio 1997 p. 41 im,i n i i n i i ri ir S 1 1 100 ∑ ∑ = = = δ (3) in cui n= numero dei pluviometri; ri= distanza dall'irrigatore del pluviómetro i; δii= scarto medio assoluto dalla media im,i delle intensità di pioggia rilevate per i 5 esemplari del campione dal pluviómetro i. e) Rendimento dell'irrigatore Per rendere possibile una valutazione dell'efficienza dromeccanica dell'irrigatore è stato introdotto un parametro energetico, il rendimento globale, dato dal rapporto tra la potenza del getto libero e la potenza della corrente all'ingresso dell'irrigatore: 2 e 2 u U2gP γU 100v+ = (4) dove P= pressione all'irrigatore; Ue= velocità media dell'acqua nel tubo portairrigatore; Uu= velocità dell'acqua all'uscita del boccaglio; g= accelerazione di gravità; g= peso specifico dell'acqua. f) Uniformità di irrigazione L'unìformità di irrigazione è valutata col metodo di Christiansen. Per ogni pressione di prova sono calcolati i coefficienti di uniformità Cu per vari schemi di avanzamento, simulando la sovrapposizíone dei solidi di pioggia ottenuti dalla rotazione intorno all'irrigatore dei diagrammi pluviometrici medi:         − −= ∑ m i in im i Cu 1100 (5) in cui n= numero dei punti di misura; ii= intensità di pioggia nel punto i; im= valor medio delle intensità rilevate. PRIMA VERIFICA SPERIMENTALE Ultimata la messa a punto del banco, fatta con un irrigatore di media grandezza, tale da coprire praticamente tutto il campo di misura disponibile, si è affrontata una prova completa sotto ogni aspetto, cosí come indicato dalle procedure previste. Diametro dei pluviometri cm 35.7 Distanza tra i pluviometri m 0.5 Tubo porta irrigatore UNI 3824 inch 3/4 Altezza del bocaglio m 0.6 Temperatura dell'aria °C 13 Temperatura dell'acqua °C 14.5 Tabelle 1:Condizioni generali di pr ova ,soddisfacente. Si nota poi che le uniformità aumentano al diminuire della pressione e che lo schema di avanzamento in triangolo dà luogo ad uniformità migliori di quelle in quadrato con una densità di irrigatori assai più bassa. Stando ai risultati delle prove, che però non tengono conto dell'azione del vento, sembra ingiustificato avvicina-re troppo gli irrigatori tra loro, specialmente se la gestione dell'impianto non pone limitazioni all'orario. Nelle Figure 11 e 12 sono rappresentati i solidi di píoggia per gli schemi di avanzamento in quadrato ed in rettangolo, che permettono, meglio di ogni altro strumento, di apprezzare l'andamento dell'altezza di pioggia. La pressione considerata è quella più bassa, che ha dato luogo ai più alti valori di uniformità. Fatta eccezione per i picchi che si verificano in aree limitatissime intorno all'irrigatore, le variazioni di intensità di pioggia sono graduali e contenute, così che per i casi presi in esame i coeffícienti di Christiansen risultano effettivamente rappresentativi dell'uniformità di irrigazione. In fine la rappresentazione più dettagliata della distribuzione della pioggia è fornita dagli istogrammi di frequenza relativa e dalle ogive percentuali. Nelle Figure 13 e 14 sono riportati tali diagrammi con riferimento agli schemi di avanzamento, in quadrato ed in triangolo, che danno luogoalla massima uniformità. Da essi sono stati esclusi i pic chi di intensità di pioggia che si verificano nell'immediato intorno degli irrigatori. Si può notare come per lo schema di avanzamento in triangolo al più alto valore del coefficiente di uniformità Cu corrisponda anche una minore ampiezza del camPressione mc.a. 26.3 29.3 32.3 Portata 1/min 12.87 13.63 14.35 Coeffïciente di variazione 0.049 0.051 0.054 Coefficiente di efflusso medio 0.82 Periodo s 68.48 67.05 67.40 Coefficiente di variazione 0.075 0.076 0.080 Uniformità di rotazione % 99.3 99.2 99.0 Scarto quadratico medio % 0..29 0..33 0.61 Statistica di qualità 32.14 27.45 14.75 Gittata m 10.1 10.0 9.9 Scostamento dal diagramma pluviometrico & 12.1 11.9 12.3 Rendimiento globale & 66.7 67.2 67.9 Tabelle 2:Rappor to di prova EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO p. 42 Vol. 4 • No2 • junio 1997 Figura7: Diagramma pluviometrico e diagramma degli scarti medi assoluti dalla media delle intensita di pioggia dell 'irrigatore Rain Bird T40 alla pressione di 26,3 m c.a. Figura8: Diagramma pluviometrico e diagramma degli scarti medi assoluti dalla media delle intensità di pioggia dell'irrigatore Rain Bird T40 alla pressione di 29,3 m c.a. Figura9: Diagramma pluviometrico e diagramma degli scarti medi assoluti dalla media delle intensità di pioggia dell 'irrigatore Rain Bird T40 alla pressione di 32,3 m c.a. po di variazione dell'intensita di pioggia. Una rappresentazione più efficace della distribuzione dell'acqua sul terreno e forse for-nita dai poligoni delle superfici bagnate cumulate riferite ad intervalli relativi crescenti dell'intensita di pioggia rispetto al valor medio (Figure 15 e 16). Tali curve consentono di individuare immediatamente il campo di variazione della pioggia rispetto al valor medio al crescere della superficie bagnata. Men-tre nel caso esaminato di irrigatori in quadrato (Figura 15) soltanto il 55% della superficie e investita da un'intensita di pioggia variabile tra il 10% in meno ed il 10% in più del valor medio, nel caso di irrigatori in triangolo (Figura 16) tali limiti sono rispettati su almeno il 90% dell'intera superficie bagnata. CONCLUSIONI Per quanto gli intralci burocratici abbiano ritardato di quasi 13 anni la realizzazione del Laboratorio, riducendo a circa un quarto il potere di acquisto del finanziamento, quello che e stato possibile realizzare è sufficiente per avviare un'attività qualificata che potra contribuire a migliorare la qualita dell'irrigazione. Resta comunque Famarezza di aver visto bruciare 13 anni di svalutazione e soprattutto di aver dovuto perdere 13 anni di attivita, di ricerca e di esperienza che non sarà facile ricuperare. Fin dalle prime battute il banco di prova al coperto per irrigatori a pioggia si e dimostrato uno strumento Figura10: Uniformitd di irrigazione per vari schemi di avanzamento alle tre pressioni di prova dell 'irrigatore Rain Bird T40. EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO Vol. 4 • No 1 • junio 1997 p. 43 Figura11:Solidi di pioggia dell'ir rigatore Rain Bird T40 alla pressione di 26,3 m c.a. disposto in quadrato alla distanza di 10, 12 e 14 m Figural2: Solidi di pioggia dell 'ir rigatore Rain Bird T40 alla pressione di 26,3 m c.a. disposto in triangolo 12x10,5, 15x13 e 17x14,5 m. EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO p. 44 Vol. 4 • N° 2 • junio 1997 Figura13: Istogramma di frequenza relativa edogiva percentuale della distribuzione di pioggia dell'irrigatore Rain Bird T40 in quadrato 12x12 alla pressione di 26.3 m c.a. Figura14: Istogramma di fr equenza relativa ed ogiva percentuale della distribuzione di pioggia dell 'irri-gatore Rain Bird T40 in triangolo 15x13 alla pressione di 26,3 m c.a. formidabile che apre nuovi orizzonti nel panorama dell 'irrigazione italiana e, forse, europea. Le prime prove compiute secondo i metodi descritti, lasciano ritenere che tanto le metodologie adottate quanto le capacità operative e funzionali del banco rispondano perfettamente ai requisiti auspicati in fase di progetto. Non è qui il caso di mettere in discussione le prestazioni dell 'irrigatore Rain Bird con cui ha debuttato il banco, in quanto l'oggetto della prova non era l'irrigatore, bensi il banco stesso. Certo è che in base ai risultati ottenuti questo irrigatore potrà essere impiegato al meglio, probabilmente in disaccordo con la prassi di installazione più frequente. Al termine di questa esperienza, che ha impegnato per la prima volta in maniera organica la struttura del Laborato-rio nel settore dell 'irrigazione a pioggia, è apparso chiaro che il lavoro sin quí fatto ha rappresentato soltanto una pic-cola tappa di un cammino che è ancora tutto da percorrere. NOTAZIONE Cu coefficiente di unifonnità di distribuzione secondo Christiansen δii scarto medio assoluto dalla media delle intensità di pioggia prodotte dai 5 elementi del campione in corrispondenza del pluviometro i g accelerazione di gravità γ peso specifico dell'acqua i indicatore di un generico pluviometro i intensità di pioggia im,i media delle intensità di pioggia prodotte dai 5 elementi del campione in corrispondenza del pluviometro i ix,i intensità di pioggia prodotta dall'elemento x del campione in corrispondenza del pluviometro i EL LABORATORIO NACIONAL DEL RIEGO Vol. 4 • No 1 • junio 1997 p. 45 Figura15: Poligono delle superfici bagnate cumulate dell'ir rigatore Rain Bird T40 in quadrato 12x12 alla pressione di 26,3 m c.a. intervallo relativo rispetto all'intensita media di pioggia [%] Figura16: Poligono delle superfici bagnate cumulate dell 'irrigatore Rain Bird T40 in triangolo 15x13 alla pressione di 26,3 m c.a. j indicatore di un generico quadrante del cerchio coperto dall' irrigatore µ,m indicatori di media v rendimento globale P pressione all'irrigatore ri distanza del pluviometro i dall'asse di rotazione dell'irrigatore s scarto quadratico medio Sq statistica di qualità secondo ISO 3951 T periodo di rotazione di un irrigatore Ue velocità media dell'acqua nel tubo portairrigatore Ur uniformità di rotazione del singolo irrigatore Urm uniformità di rotazione del campione Uu velocità media dell'acqua all'uscita del boccaglio x indicatore del generico elemento del campione BIBLIOGRAFIA Aleoti A(1955) Un indicatore istantaneo di portata per apparecchi irrigatori. L'irrigazione. IV: ASAE Standars(1989) ASAE S330.1. Procedure for sprinkler distribution testing for research purposes. 518-520. ASAE Standars.(1989) ASAE S398.1. Procedure for sprinkler testing and performance reporting. Centro Internazionale di Studi sul L'irrigazione a Pioggia (1958) Schema di norme sugli impianti di irrigazione a pioggia. Atti del VI Convegno regionale su L'irrigazione a pioggia in Val Padana. Milano. Commisione d'Indagine Promossa dalla Associazione Nazionalle delle Bonifique e dal Centra per gli Studi sulla Irrigazione a Pioggia de Verona (1964) Relazione finale: La irrigazione a pioggia in Italia. La bonifica integrale. XI.