Objetivos y aplicaciones
Tipos de simuladores
Consideraciones practicas
Funcionamiento
En esta revisión sólo se abordarán las aplicaciones de campo, aunque cabe remarcar que los simuladores de lluvia son más útiles en las investigaciones de laboratorio.
Las principales ventajas son:
· la capacidad de tomar numerosas mediciones rápidamente sin tener que esperar las precipitaciones naturales;
· la posibilidad de trabajar con precipitaciones constantemente controladas, eliminando de ese modo la errática e imprevisible variabilidad de la lluvia natural;
· en general es más rápido y sencillo establecer un simulador sobre los tratamientos de los cultivos existentes que establecer tratamientos sobre parcelas de escorrentía.
Todas las desventajas están relacionadas con la magnitud:
· es barato y sencillo utilizar un pequeño simulador sobre una parcela de ensayo de unos pocos metros cuadrados, pero los simuladores para cubrir parcelas de campo de, por ejemplo 100 m2, son grandes, caros y voluminosos;
· las mediciones de la escorrentía y de la erosión a partir de pruebas con simuladores efectuadas en pequeñas parcelas no pueden extrapolarse a condiciones de campo; es preferible limitarlas a comparaciones, como cuál de tres tratamientos de cultivo sufre menor erosión en las condiciones de los ensayos con simulador, o a la comparación de valores relativos de la erosionabilidad de diferentes tipos de suelos;
· es probable que los simuladores se vean afectados por el viento; la necesidad de montar parabrisas reduce la ventaja de la simplicidad.
Toda consideración sobre la conveniencia de utilizar simuladores de lluvia comienza definiendo exactamente qué información se necesita. Los simuladores pueden ser un instrumento útil para ciertos fines, pero inadecuados para otros; los objetivos influirán en la elección del tipo más adecuado de simulador. Por ejemplo, en los estudios de las infiltraciones y la escorrentía no es necesario que las precipitaciones simuladas tengan exactamente las mismas características que la lluvia natural. En otros estudios puede ser importante que los procesos de erosión no sean distorsionados a causa de que la lluvia simulada sea distinta de la lluvia natural. La dimensión requerida de las parcelas de ensayo puede determinar el mejor tipo de simulador: por ejemplo, las parcelas pequeñas pueden ser idóneas para estudios de la erosionabilidad relativa, pero para medir la erosión en surco harían falta parcelas mayores.
A continuación se dan algunos ejemplos de temas de experimentos adecuados para el uso de simuladores:
· la protección relativa que proporcionan diferentes densidades de plantas;
· la protección relativa proporcionada en diferentes momentos durante el desarrollo del cultivo;
· estudios de la erosionabilidad relativa;
· estudios de las características de la infiltración del suelo;
· la erosión y la escorrentía de cultivos en hilera, ladera arriba y ladera abajo.
Los simuladores no son adecuados para los siguientes estudios:
· los cultivos siguiendo la curva de nivel, porque los bordes de la parcela interfieren con el curso normal del agua;
· cualquier comparación de tratamientos que sólo tengan diferencias insignificantes debido al estado del campo, dado que los experimentos con simuladores de lluvia se resentirán de considerables variaciones experimentales no controlables;
· los estudios de los procesos físicos que requieran una variación exacta de las características de la precipitación como los cambios en la energía cinética o en la intensidad de la lluvia.
Como existen pocos proveedores comerciales de simuladores de lluvia, los investigadores suelen construir sus propios instrumentos. Sin embargo, existe mucha documentación relativa a la construcción y puesta a prueba de simuladores de lluvia por lo que suele resultar práctico analizar un diseño anterior en lugar de partir de cero. En particular, se han puesto a prueba numerosas variedades de lanzas de dispersión. Por otro lado, toda persona que necesite construir y utilizar un simulador debería solicitar asesoramiento a otros investigadores.
Meyer (1988) da dos consejos útiles:
"La investigación con simuladores de lluvia tropieza con muchos problemas y escollos, y a la mayoría de los investigadores les complace ayudar a otros a evitar los problemas con que han tropezado."
"Los investigadores deben evitar dedicarse a la construcción y mejoramiento de simuladores con tal dedicación que les quede poco tiempo para su uso. La meta de una investigación con un simulador de lluvia debe ser la recopilación de datos exactos y útiles y no la construcción de un simulador perfecto."
Las observaciones formuladas en el Capítulo 3 con respecto al diseño estadístico de experimentos en parcelas de campo son igualmente aplicables a los experimentos con simuladores de lluvia. Es esencial poder repetir los experimentos y calcular la varianza entre parcelas para compararla con la varianza entre tratamientos. Los emplazamientos de las parcelas se deben también elegir al azar para evitar desviaciones resultantes de la variación del suelo.
Características deseables de la lluvia simulada
Creación de lluvia artificial
Presión del agua para lanzas de aspersión
Existe una considerable documentación sobre el diseño, la construcción y el funcionamiento de simuladores de lluvia, como se podrá ver revisando Otras obras de consulta. Los simuladores grandes que utilizan parcelas de ensayo de 100 m2 o más son útiles para el estudio de los tratamientos de los cultivos en condiciones similares a las de campo, y en las Fotografías 6, 7 y 36 se dan ejemplos procedentes de los Estados Unidos de América, Australia e Israel. Estas máquinas son caras y necesitan operarios calificados, y quedan fuera del alcance del presente Boletín, que se ocupará de algunos simuladores sencillos y baratos.
Conviene que todas las características físicas de la lluvia natural se reproduzcan lo más fielmente posible, pero es aceptable cierta elasticidad en aras de la simplicidad y de la economía de costos. Las principales características son:
· tamaño de la gota; las gotas de lluvia varían desde un tamaño insignificante en la niebla hasta un máximo de seis o siete mm de diámetro. Este es el límite físico superior del tamaño de la gota y por encima de esa dimensión cualquier gota que se forme como resultado de la unión de más de una gota será inestable y se dividirá en gotas más pequeñas. El diámetro medio de una gota es de dos a tres mm y varía con la intensidad, como se indica en la Figura 50;
· la distribución de gotas de diferentes tamaños varía; las precipitaciones ciclónicas en los climas templados están principalmente compuestas de gotas de tamaño pequeño o mediano, pero las tempestades tropicales de gran intensidad tienen una proporción mayor de gotas grandes;
· velocidad de caída; las gotas de lluvia que caen alcanzan una velocidad máxima (o terminal) cuando la fuerza de aceleración gravitacional es igual a la resistencia de la gota que cae a través del aire. La velocidad terminal está en función del tamaño de la gota y aumenta hasta un máximo de nueve m/s para las gotas mayores, como se muestra en la Figura 51;
· la energía cinética es la energía de un cuerpo en movimiento y la energía cinética de la lluvia es la suma de la energía cinética de las gotas individuales. La energía cinética está en función del tamaño y de la velocidad de caída y se utiliza frecuentemente como un parámetro deseable para un simulador ya que se sabe que la energía cinética está estrechamente relacionada con la capacidad de la lluvia para causar erosión. La energía cinética de la lluvia varía con la intensidad, como se indica en la Figura 52, situándose el límite superior a unos 75 mm/h. Este límite superior es el resultado del límite superior del tamaño de las gotas de lluvia (las intensidades máximas tienen más gotas, pero no de un tamaño constantemente creciente), de manera que la energía por volumen de lluvia no aumenta por encima de las intensidades de 75 mm/h. La energía por segundo, aumenta, por supuesto, con la intensidad a todos los niveles de intensidad. La intensidad de la lluvia no está relacionada con las precipitación anual media, dado que las lluvias en regiones áridas o semiáridas pueden alcanzar intensidades tan elevadas como en los trópicos húmedos, aunque menos frecuentemente;
· la intensidad de las precipitaciones o el caudal de la lluvia puede variar rápidamente en la lluvia natural, pero no suele ser práctico ni necesario construir simuladores de lluvia que puedan cambiar su intensidad durante una prueba. Normalmente el simulador se elige y diseña para un único valor de intensidad, por ejemplo 25 mm/h, con el fin de simular precipitaciones en zonas templadas, o de 75 mm/h para precipitaciones sobre regiones tropicales o semiáridas;
· es conveniente que haya uniformidad de la distribución de la lluvia sobre las parcelas de ensayo.
FOTOGRAFÍA 36 - Simulador a escala de campo en Israel
FIGURA 50 - Relación entre el diámetro de la gota de volumen mediano y la intensidad
FIGURA 51 - Velocidad terminal de las gotas de lluvia (de Laws 1941)
FIGURA 52 - Relación entre la energía cinética de la lluvia y la intensidad. Cada curva se extiende hasta la intensidad máxima registrada (de Hudson 1981b)
Los estudios se realizaron en los siguientes países: Zimbabwe (Hudson); India (Kelkar); Trinidad (Ker); Japón (Mihara); Estados Unidos de América (Wischmeier).
Simuladores de lluvia sin presión
Muchos simuladores sencillos utilizan el principio de que las gotas se forman y caen desde los extremos de los tubos conectados con un suministrador de agua. El tamaño de la gota está relacionado con la dimensión del tubo. Se han utilizado tubos de metal, vidrio o plástico o agujas hipodérmicas que se fabrican con un alto grado de precisión. Es posible utilizar un conjunto de tubos de diferentes tamaños para producir una lluvia con gotas de tamaños distintos (Fotografía 37).
FOTOGRAFÍA 37 - Simulador de lluvia de laboratorio
Las ventajas de este método son que el tamaño de las gotas y su velocidad de caída son constantes, la distribución de la lluvia a través de la parcela de ensayo es uniforme y se puede lograr con baja presión del agua.
Las desventajas son que, salvo si el dispositivo se coloca muy alto, las gotas golpean la parcela de prueba a una velocidad muy inferior a la velocidad terminal de la lluvia natural y, en consecuencia, los valores de la energía cinética son también reducidos. Una gota grande de cinco mm de diámetro necesita una altura de caída de unos 12 metros para alcanzar la velocidad terminal y esto es difícil de lograr en condiciones de campo. En cierta medida, esto se puede compensar utilizando gotas de mayor tamaño que las de la lluvia natural. Otra desventaja es que la dimensión de la parcela de ensayo es reducida a causa de las dificultades prácticas para construir un depósito suficientemente grande para la formación de las gotas. En Venezuela se ha utilizado con éxito durante muchos años un simulador montado sobre un remolque que aplicaba este método (Fotografías 38 y 39).
Pulverizadores a presión
La forma más sencilla de aspersión, que puede resultar adecuada para algunas aplicaciones sencillas, es una pulverización a presión a partir de una regadera o de la roseta conectada a una manguera (Figura 53). La mayor parte de las rosetas comerciales tienen agujeros del mismo tamaño, pero es fácil lograr una distribución mixta de las gotas haciendo agujeros de diferentes dimensiones. Un problema esencial que plantean los aspersores de este tipo es que, al igual que los formadores de gotas sin presión es que sólo consiguen una velocidad de impacto reducida a menos que caigan desde una altura considerable. Con los aspersores a presión, la velocidad de impacto puede aumentarse apuntando el aspersor hacia abajo para que deje la lanza con la velocidad dada por la presión y además se acelere con la caída.
Otro simulador muy sencillo que utiliza un aspersor de movimiento alternativo es el representado en la Figura 54. La oscilación se controla por medio de una turbina de agua sencilla cuya rotación se convierte en un movimiento armónico simple. Esto significa que la distribución no es uniforme puesto que hay una detención en cada extremo, por lo que una parcela de prueba que aplique este simulador debe estar situada en la parte central del campo de la aspersión.
En el comercio existen muchos tipos de lanzas rociadoras, algunas diseñadas para otros fines y otras creadas especialmente para los simuladores de lluvia. Una gran dificultad estriba en que si el rociador tiene que incluir gotas del tamaño máximo que se producen en la lluvia natural, el agujero del rociador tendrá que ser grande, de unos tres mm de diámetro. No obstante, incluso con baja presión de agua, la intensidad producida por los regadores de este tamaño es mayor que la de la lluvia natural (Elwell y Makwanya 1980). Por lo tanto, es necesario poder interrumpir de alguna manera el rociador para reducir la intensidad a la de la lluvia natural. En el "Rainulator" (simulador de lluvia) de Meyer se utilizaron dos métodos (Figura 55). Las lanzas de aspersión se montaron en un vagón elevado que iba hacia adelante y hacia atrás de la parcela, y la corriente de agua enviada a las lanzas se abría y cerraba por medio de válvulas electromagnéticas. Este simulador y sus variantes son muy eficientes, pero como se concibieron para funcionar en parcelas grandes, son complicados y caros. Los perfeccionamientos posteriores han tenido, por tanto, la finalidad diseñar máquinas más sencillas o más pequeñas. Dunne, Dietrich y Brunengo (1980) diseñaron una de esas variantes para ser utilizada en el campo en Kenya, como se muestra en la Figura 56. Un pequeño carro transporta la lanza de aspersión que viaja hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un carril suspendido por dos operarios que tiran de las cuerdas.
FOTOGRAFÍA 38 - Simulador de lluvia montado sobre un remolque en Venezuela
FOTOGRAFÍA 39 - Preparación de las parcelas para el simulador
FIGURA 53 - Sencillo simulador de dispersión para jardines
FIGURA 54 - Pulverizador de movimiento alternativo
FIGURA 55 - El principio del funcionamiento de algunos simuladores de lluvia
1 - MEYER - Líneas de lanzas de movimiento alternativo
2 - SWANSON - Brazos giratorios que transportan lanzas
3 - BERTRAND Y PARR - Dispersión constante con lanza fija
4 - HUDSON - Lanza rotatoria
5 - MORIN - Disco rotatorio
FIGURA 56 - Simulador manejado a mano en Kenya (Dunne y cols. 1980)
Otro método consiste en un aparato basado en una máquina de riego formada por un brazo aspersor giratorio que se puede obtener en el comercio (Figura 55 y Fotografía 7). Cada brazo suministra agua a varias lanzas, girando lentamente impulsado por una turbina de agua. La máquina se monta entre dos parcelas de ensayo para que la lluvia se pueda aplicar simultáneamente a ambas. Se pueden regar parcelas con una longitud de hasta 15 m con una sola máquina; para parcelas más largas se pueden utilizar dos máquinas (Swanson 1965; Hinkle 1990).
Otro dispositivo muy popular que se ha copiado y utilizado en muchos países es el disco giratorio diseñado inicialmente por Morin, Goldberg y Seginer (1967), que se ilustra en la Figura 55 y en la Fotografía 40. Una lanza fija arroja agua constantemente, pero el suelo está intermitentemente protegido de la aspersión. La lanza se orienta verticalmente hacia abajo y exactamente debajo de ella se encuentra un disco de metal que gira en el plano horizontal. En el disco hay una ranura radial, y cada vez que ésta pasa bajo la lanza una breve ráfaga de lluvia llega a la parcela. La proporción del agua de aspersión que pasa viene determinada por el ángulo de la ranura. Este modelo permite utilizar grandes lanzas que facilitan la distribución de gotas de energía cinética y tamaño adecuados, pero que producen, al dispersarse constantemente, unas intensidades excesivas.
Para experimentos sencillos realizados con simuladores en la propia explotación, uno de los mejores métodos consiste en utilizar la reacción del chorro para hacer girar un aspersor de riego invertido. Un dispositivo primitivo de este tipo está representado en la Figura 55 y en la Fotografía 5. Se diseñó para que fuera ligero y portátil y poder trasladarlo a zonas remotas con caminos de acceso deficientes. Una vez instalada la máquina, se la puede colocar sucesivamente en cada una de las seis parcelas hexagonales que están dispuestas en círculo en torno a la torre de apoyo. Se pueden así efectuar seis repeticiones de cada prueba sin desplazar la máquina. En el Silsoe College (Fotografía 41) se concibió un modelo más moderno adecuado para parcelas mayores. Una ventaja importante de este tipo de máquina es que se puede montar con componentes artesanales, como se hizo en China (Fotografía 42).
FOTOGRAFÍA 40 - Simulador de lluvia de disco rotatorio
Las fuentes potenciales de la presión necesaria son la gravedad o el bombeo. En países montañosos puede ser posible generar una presión suficiente enviando el agua por tuberías desde un embalse situado aguas arriba, o desde una cisterna de almacenamiento colocada en la parte superior de un edificio alto. La presión generada es aproximadamente 10 kN/m2 por cada metro de altura de caída.
Se suelen conseguir mayores presiones recurriendo al bombeo. Las bombas peristálticas que aprietan un tubo flexible son muy sencillas, pero sólo son adecuadas para pequeños caudales. Las bombas centrífugas son más adecuadas para la mayoría de los simuladores, y se pueden obtener fácilmente en todas las dimensiones acopladas directamente a motores eléctricos o a motores a combustión. También es posible utilizar bombas eléctricas sumergibles para la toma directa de las corrientes, y es posible utilizar arietes hidráulicos para bombear agua en fuerte pendiente con el fin de almacenarla a un nivel más elevado.
Normalmente el investigador trata de obtener una presión de agua mínima que le permita conseguir la distribución uniforme de las gotas de distintos tamaños. Una variante que se limita a usos de laboratorio, consiste en inyectar aire comprimido a la fuente de agua, lo que da una presión de descarga mayor y mejor uniformidad sin aumentar la intensidad de las precipitaciones (Shelton, von Bernuth y Rejbhandari 1985; Hinkle 1990). Aunque se trata básicamente de una técnica de laboratorio, debería ser posible adaptarla para su uso en el campo utilizando cilindros de aire comprimido.
Los principales factores a considerar son las fuentes de energía, los suministros de agua y el acceso. La mayor parte de los simuladores requieren una fuente de energía para los motores y las bombas, con la única excepción de los que se sirven de la gravedad. Existen pequeños generadores diesel o de petróleo confiables, pero no son baratos y necesitan ser transportados. Algunos simuladores pequeños pueden funcionar con electricidad procedente de pilas; los acumuladores de plomo son pesados y difíciles de transportar, y las pilas secas, aunque son adecuadas para el equipo electrónico, resultan caras como fuente de energía para los motores o bombas.
Los pequeños simuladores del tipo de lanza pueden necesitar escaso suministro de agua porque se pueden destinar a la parcela de prueba con poco desperdicio fuera de la parcela. Los sistemas de aspersión necesitan mayores suministros de agua, en parte debido a que suelen funcionar a mayores intensidades y también a que la aspersión suele abarcar una superficie mayor que la parcela de prueba. Es necesario calcular la cantidad de agua que se necesitará en el ensayo y cómo se va a llevar hasta el lugar. Los simuladores del tipo de disco giratorio y los de tipo oscilante pueden equiparse con un dispositivo para captar y redistribuir la lluvia que no llega a la parcela, pero esto se tiene que lograr sin influir en la lluvia que cae sobre la misma. Las gotas grandes procedentes de las filtraciones representan un problema común.
FOTOGRAFÍA 42 - El simulador de lluvia del Silsoe College en China (J. Rickson)
El acceso a los ensayos es importante. Un lugar cercano a una carretera transitable todo el año es mucho más fácil de utilizar; en realidad, las máquinas grandes como el "rainulator" necesitan para su traslado el uso de grandes camiones y remolques. Sin embargo, es posible que los lugares que se desea investigar no tengan un fácil acceso, de manera que muchos simuladores están concebidos para ser trasladados o para funcionar desde un vehículo con tracción en las cuatro ruedas.
Otra consideración práctica es la confiabilidad. Las máquinas nunca funcionan tan bien sobre el terreno como cuando se prueban en el taller. Los componentes se caen o se deforman durante el tránsito; las tuberías se atascan; las bombas se obstruyen; los motores se apagan. La clave consiste en que los simuladores de campo sean lo más sencillos posible, robustos, fáciles de reparar y con pocas piezas móviles.
Las parcelas de escorrentía utilizadas con los simuladores de lluvia son las mismas que las miniparcelas de escorrentía examinadas en el Capítulo 3; las mismas consideraciones se aplican a los bordes de la parcela, al canal colector, a las tuberías que transportan la escorrentía y los sedimentos hasta los contenedores y al registro del volumen de la escorrentía y del peso del suelo.
El montaje de grandes máquinas como el "rainulator" resulta muy laborioso. Para reducir este trabajo se diseñan varios simuladores. El simulador australiano de la Fotografía 6 está construido con materiales ligeros y puede ser levantado integramente por una grúa móvil y transportado a una nueva parcela en pocos minutos. El brazo giratorio de la Fotografía 7 cubre dos parcelas desde un único sitio y la lanza giratoria de la Fotografía 5 permite atender cada vez que se monta, seis parcelas.
La experiencia ha demostrado que los resultados de los ensayos con simuladores se ven considerablemente afectados por la humedad inicial del suelo de la parcela de prueba; para reducir esta variable indeseable, se suele especificar algún tratamiento estándar con anterioridad al riego. Un método consiste en saturar el suelo 24 horas antes de las pruebas, para que tenga aproximadamente la capacidad de campo. Otra posibilidad consiste en aplicar 25 mm de precipitaciones a 100 mm/h, cuatro horas antes de cada prueba.
La cantidad de lluvia simulada durante la prueba debe medirse. Un método es el de abarcar toda la parcela con una lámina colectora y medir la lluvia capturada durante un período fijo. Esto se realiza antes y después de la prueba para asegurarse de que no ha habido cambios durante su ejecución. Es posible asimismo efectuar mediciones durante la prueba ya sea con pequeños pluviómetros instalados en la parcela de prueba o por medio de canales recolectores que atraviesan la parcela, como en la Fotografía 7.
