ANÁLISE DO DESEMPENHO DE ALGUNS EMISSORES PARA SISTEMAS CENTER- PIVOT

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1 ANÁLISE DO DESEMPENHO DE ALGUNS EMISSORES PARA SISTEMAS CENTER- PIVOT Nunes, Fernando 1, Mendes, João 2, Oliveira, Isaurindo 3 David, Filipa 4 1 Centro Oper. Tecno Regadio.Quinta da Saúde, Apartado Beja. fernando.nunes@cotr.pt 2 Centro Oper. Tecno Regadio.Quinta da Saúde, Apartado Beja. Joao.mendes@cotr.pt 3 Centro Oper. Tecno Regadio.Quinta da Saúde, Apartado Beja. isaurindo.oliveira@cotr.pt 3 Centro Oper. Tecno Regadio.Quinta da Saúde, Apartado Beja. filipa.david@mail.pt Palavras-chave: uniformidade, eficiência, intensidade pluviométrica, emissores e pivot. 1 - Introdução A larga expansão de pivots por todo o mundo, e também em Portugal, tem levado ao desenvolvimento de novas soluções técnicas no sentido da melhoria do desempenho destes equipamentos e no acréscimo da sua capacidade de adaptação aos mais diversos tipos de solos. Estes progressos têm ocorrido principalmente ao nível do desenvolvimento de novos tipos emissores e de novas formas de distribuição de água. Inicialmente, o objectivo principal começou por ser a diminuição da pressão de funcionamento, de modo a reduzir custos com a bombagem. Como consequência, os emissores de impacto foram substituídos, em larga escala, pelos emissores do tipo nebulizador, também conhecidos como sprays, cuja utilização é ainda hoje bastante comum. Contudo, a sua aplicação implica a redução do alcance de aspersão, e consequentemente, o aumento da intensidade pluviométrica ao longo do pivot, que poderá implicar problemas a nível agronómico e ambiental. Recentemente, os últimos avanços passaram pela melhoria da uniformidade de aplicação de água e pela tentativa de reduzir a intensidade pluviométrica através do aumento do alcance de aspersão, ainda com o emprego de pressões relativamente baixas. Diversos estudos foram desenvolvidos no sentido de avaliar o desempenho dos vários tipos de emissores. Segundo Montero et al. 1997, o principal factor que afecta a uniformidade num pivot é o correcto dimensionamento e manutenção dos emissores. Noutro estudo, Hanson e Orlofff 1996 concluíram que os emissores do tipo rotator atingiam melhores uniformidades que os sprays e que nestes, a uniformidade aumentava com o aumento da velocidade do vento.também se verificou que as perdas de água por arrastamento pelo vento e por evaporação aumentam com o aumento da distância entre o emissor e o solo - Montero el al Também a intensidade de precipitação instantânea que se verifica na extremidade de um pivot é um factor importante na escolha de um emissor, principalmente em pivots de grande comprimento, e quando o relevo propicia à ocorrência de escoamento superficial. Do trabalho que tem vindo a ser realizado pelo COTR no âmbito da avaliação do desempenho de pivots (Oliveira et al 2004), tem se vindo a verificar que possíveis diferenças no que respeita à qualidade da rega - principalmente ao nível da uniformidade poderão estar associadas ao tipo de emissor. Neste sentido, e após várias tentativas feitas no sentido de explicar a razão da, por vezes, menos boa uniformidade de rega neste tipo de equipamentos, surgiu a possibilidade de testar e demonstrar o comportamento de alguns tipos de emissores, em colaboração com a empresa Nelson Irrigation

2 A partir do ensaio procurou-se quantificar a uniformidade e a eficiência de descarga de um conjunto de emissores da marca Nelson sprays, rotators e spinners -, assim como a intensidade pluviométrica máxima instantânea verificada na extremidade do pivot onde decorreram os ensaios (Fig.1). Figura 1 Avaliação efectuada com aspersores do tipo spray. Uma vez que o factor económico se assume como preponderante na escolha de uma carta de rega para um pivot, faz-se também uma pequena análise dos custos de aquisição e exploração para os emissores testados. Pretende-se, sobretudo, comparar o acréscimo de custos dos emissores rotativos face aos sprays. 2 - Material e Métodos Par avaliar e comparar o desempenho dos tipos de emissores, foi realizado um ensaio no pólo do COTR da Quinta da Saúde, utilizando um pivot com três torres e 150 m de raio que abrange uma área de 7 ha. O abastecimento de água é feito a partir de uma charca situada a 200 m do centro do pivot. Para realizar o ensaio procedeu-se, para cada tipo de emissor, e dentro de cada tipo, para diferentes tipos de pratos dispersores, à substituição dos emissores de origem por cada um dos emissores a ensaiar. Uma vez que os emissores de origem eram sprays, devido à maior exigência em termos de pressão dos rotators e spinners, foi necessário substituir o impulsor da bomba por outro que proporcionasse mais pressão para o mesmo caudal. A avaliação do desempenho de cada tipo de emissor baseou-se em avaliações feitas ao pivot de acordo com a metodologia proposta por Merrian e Keller 1978, e segundo as normas internacionais ASAE S436:1995 e ISO 11545:2001. Para a recolha de água foram utilizados pluviómetros com um diâmetro de 20 cm, espaçados de 3 em 3 m (Fig.1). Os ensaios realizados corresponderam a dez passagens do pivot sobre dois raios de pluviómetros para cada tipo de emissor obtendo-se assim uma amostra de vinte elementos (raios de pluviómetros) para cada modalidade. As modalidades de ensaio foram as seguintes: - 2 -

3 - Spray Nelson D3000 com prato turquesa (liso); - Spray Nelson D3000 com prato cinzento (24 estrias); - Spray Nelson D3000 com prato castanho (33 estrias); - Rotator Nelson R3000 com prato vermelho (6 estrias); - Rotator Nelson R3000 com prato turquesa (estrias múltiplas); - Rotator Nelson R3000 com prato azul 4 (estrias); - Spinner Nelson S3000 com prato vermelho (6 estrias com ângulo 12º); - Spinner Nelson S3000 com prato roxo (6 estrias com ângulo 20º); - Spinner Nelson S3000 com prato amarelo (estrias múltiplas); Todos os emissores foram montados em tubos de descida (drops) a uma altura ao solo de 2,5 m, com excepção do R3000 com prato azul que foi instalado a 4 m do solo sobre a tubagem do pivot. Foram utilizados reguladores de pressão de 10 psi (70 kpa), 15 psi (100 kpa) e 20 psi (140 kpa) respectivamente nos emissores Spray, Spinner e Rotator. As cartas de rega foram dimensionadas de forma a facultar um caudal unitário da ordem de 1,3 l.s -1.ha -1. Em todos os ensaios mantiveram-se constantes o caudal e a pressão medidos no centro do pivot. O caudal medido foi de 9,2 l.s -1 e a pressão, medida à entrada do primeiro lanço da rampa, foi de 120 kpa para os Sprays e de 180 kpa para os Rotators e Spinner. O caudal foi medido com um medidor volumétrico (tipo Woltman) à entrada do pivot e confirmado com um medidor de caudal ultrasónico portátil. Durante os ensaios foram registados os valores da temperatura, velocidade do vento e humidade relativa, a partir da estação agrometeorológica automática da Quinta da Saúde situada a 150 m. Os parâmetros utilizados para qualificar a uniformidade e a eficiência da aplicação da água foram o Coeficiente de Uniformidade de Heermann e Hein (CU) eq.(1) -, a Uniformidade de Distribuição (UD) eq.(2) - e a Eficiência de Descarga (ED) eq.(3). n D i Ci M c i= 1 CU = n Ci Di i= 1 (1) Em que: CU =Coeficiente de Heermann and Hein (%); N = número de pluviómetros; Ci = altura de água recolhida no pluviómetro i (mm); Di = média ponderada das alturas de água recolhidas (mm). M q UD = min 100 (2) M - 3 -

4 Em que: UD = Uniformidade de Distribuição (%) M qmin = média ponderada das alturas de água recolhidas no quartil mínimo (mm); M = média ponderada das alturas de água recolhidas (mm); ED = M Q T 3,6 A (3) Em que: ED = Eficiência de Descarga(%); M = média ponderada das alturas de água recolhidas (mm); Q = caudal total (m 3 s -1 ); T = tempo por volta para a dotação aplicada (h); A = área regada (m 2 ) Neste ensaio pretendeu-se também comparar as diferentes taxas de intensidade pluviométrica dos diferentes emissores. Esta taxa foi determinada de duas formas: pela medição directa com um udómetro registador automático colocado junto da última torre - a 135 m do centro do pivot - e pela medição da largura molhada no mesmo ponto de medição. No primeiro caso, o intervalo de integração para determinar a taxa de precipitação pelo udómetro registador automático foi de um minuto, enquanto que no segundo caso, a intensidade pluviométrica máxima instantânea foi estimada pela equação de Dillon (1972), assumindo o padrão de precipitação parabólico ou triangular - eq.(4). P k = K Q R r m (4) Em que: Pk= precipitação máxima de aplicação (mm.h -1 ) K= constante para o padrão (parábola K=5400; triângulo K=7200) Q= caudal do pivot (l.s -1 ) R= raio da área regada (m) R m = alcance dos aspersores na extremidade do pivot (m) 3 - Resultados No Quadro 1 resumem-se os valores máximos, médios e mínimos dos parâmetros medidos e os valores máximos e mínimos das variáveis climáticas monitorizadas. Relativamente à influência que estas variáveis teriam na uniformidade e na eficiência de descarga, para as condições dos ensaios realizados, não se conseguiram boas correlações que permitissem estabelecer o grau de influência de cada variável sobre a eficiência ou sobre a uniformidade

5 Tipo de emissor Quadro 1 Resumo dos ensaios para cada tipo de emissor. ED (%) UD (%) CU (%) Temperatura (ºC) Humidade Relativa (%) Velocidade do vento (km/h) Prato máx. med. mín. máx. med. mín. máx. med. mín. máx. mín. máx. mín. máx. mín. Spray D3000 Turquesa 94,2 83,5 68,8 89,6 77,9 69,2 93,3 89,0 77, ,7 2,9 Spray D3000 Castanho 88,5 78,2 62,8 86,3 74,8 62,7 92,0 84,8 78, ,1 5,4 Spray D3000 Cinzento 99,8 91,6 80,7 76,9 63,9 52,2 87,1 76,1 65, ,3 5,8 Spinner S3000 Amarelo 99,4 92,6 81,7 90,5 85,9 80,1 94,8 93,2 91, ,7 3,5 Spinner S3000 Roxo 97,4 85,8 66,1 89,8 84,1 78,8 94,8 92,6 89, ,1 4,7 Spinner S3000 Vermelho 98,5 84,9 73,3 90,9 85,7 74,0 94,4 92,2 89, ,5 9,7 Rotator R3000 Vermelho 97,1 80,3 66,5 85,5 79,0 65,0 93,0 90,3 84, ,1 8,1 Rotator R3000 Castanho 99,7 82,6 70,9 90,6 84,3 74,8 95,2 92,5 89, ,6 5,9 Rotator R3000 Azul 99,3 82,8 68,1 86,7 79,3 71,4 91,9 89,8 87, ,3 4,4 No Quadro 2 apresentam-se as médias dos vinte ensaios (dez passagens do pivot sobre dois raios) para cada parâmetro ED, UD e CU. De modo a verificar se existem diferenças significativas entre os diversos emissores, relativamente à eficiência de descarga e à uniformidade, utilizou-se a técnica estatística conhecida por análise de variância (ANOVA), e para mostrar a existência de diferentes grupos homogéneos foi feito o teste de Duncan. Relativamente à Eficiência de Descarga - ED - verifica-se que os valores significativos mais elevados são os relativos ao Spray Cinzento e ao Spinner Amarelo. Este facto poder-se-á explicar devido ao tamanho de gota ser elevada em ambos os emissores, ocorrendo menores perdas de água por evaporação e arraste pelo vento. Os restantes valores não apresentam diferenças significativas que permitam uma comparação fiável. Contudo, nota-se que o Rotator Azul instalado a 4 m, ao contrário dos restantes instalados em drop, não apresenta diferenças significativas relativamente aos restantes seis, ou seja, apesar de estar mais afastado do solo não se verificou uma menor eficiência de descarga. Relativamente à uniformidade, e uma vez que o CU está relacionado com o UD, a análise estatística é bastante semelhante para ambos. Verifica-se que as melhores uniformidades são atingidas por qualquer um dos Spinners e pelo Rotator Castanho. A uniformidade mais baixa verifica-se no Spray Cinzento (o menos estriado). Os restantes emissores apresentam valores intermédios. Note-se que os dois Sprays estriados apresentam um valor médio de CU abaixo do 85%, valor considerado como o mínimo aceitável para um sistema de rega deste tipo

6 Quadro 2 Médias de ED, UD e CU dos vinte ensaios para os diferentes tipos de emissores. Tipo de emissor Prato ED (%) UD (%) CU (%) Spray D3000 Turquesa 83,5 bc 77,9 bc 89,0 b Spray D3000 Castanho 78,2 d 74,8 c 84,8 c Spray D3000 Cinzento 91,6 a 63,9 d 76,1 d Spinner S3000 Amarelo 92,6 a 85,9 a 93,2 a Spinner S3000 Roxo 85,8 b 84,1 a 92,6 a Spinner S3000 Vermelho 84,9 bc 85,7 a 92,2 a Rotator R3000 Vermelho 80,3 cd 79,0 b 90,3 b Rotator R3000 Castanho 82,6 bcd 84,3 a 92,5 a Rotator R3000 Azul 82,8 bcd 79,3 b 89,8 b nível de significância: p<0,05 *Diferentes letras minúsculas representam diferenças significativas entre os valores que representam, quando se aplica o teste de Duncan. O Quadro 3 resume as medições relativas à intensidade pluviométrica máxima verificada na extremidade do pivot para cada tipo de emissor. Dado o seu menor alcance, verifica-se que os sprays apresentam maiores intensidades pluviométricas, por oposição aos rotators que, pelo seu maior alcance, apresentam menores intensidades pluviométricas. O maior alcance verificou-se, logicamente, no rotator instalado a 4 m do solo, pois o alcance é favorecido com a altura ao solo. Nos rotators e spinners, os valores de intensidade pluviométrica máxima instantânea, medidos pelo udómetro e estimados pela equação de Dillon, são bastante semelhantes. Já para os sprays, principalmente os estriados, um padrão de distribuição triangular aproxima-se mais aos valores medidos pelo udómetro. Quadro 3 Diâmetro molhado e intensidade pluviométrica máxima instantânea registada junto da última torre. Intensidade pluviométrica máxima instantânea (mm/h) Tipo de emissor Prato Diâmetro molhado (m) Equação de Dillon Udómetro Spray D3000 Turquesa (98)* 88 Spray D3000 Castanho (82)* 80 Spray D3000 Cinzento (82)* 80 Spinner S3000 Amarelo Spinner S3000 Roxo Spinner S3000 Vermelho Rotator R3000 Vermelho Rotator R3000 Castanho Rotator R3000 Azul *os valores entre parêntesis foram estimados utilizando um padrão de distribuição triangular

7 4 Impacto Económico da Substituição dos Emissores do Tipo Spray pelos do Tipo rotator e Spinner Análise Económica No sentido de analisar o impacto económico da substituição dos emissores mais comummente usados sprays - em pivots já instalados, por qualquer dos tipos de emissores anteriormente analisados spinners e rotators. Para estes últimos, que funcionam a maiores pressões, e cujo valor de aquisição é superior, simularam-se três situações correspondentes às três modalidades sprays, spinners e rotators, para a dimensão dos pivots mais vulgares no Alentejo, ou seja, para os que dominam áreas da ordem dos 20, 30 e 50 hectares. Os elementos necessários a esta simulação foram determinados de acordo com a seguinte metodologia: - As cartas de rega correspondentes a cada situação foram calculadas a partir de um software específico gentilmente cedido pela Nelson Irrigation; - Os custos dos emissores e das bombas indicados resultaram de valores médios apurados de uma pesquisa no mercado nacional. A simulação foi realizada para duas situações: 1ª Situação - Mudança das cartas de rega em pivots equipados com emissores do tipo spray para emissores do tipo spinner e rotator; 2ª Situação Comparação de custos de aquisição de pivots novos equipados com spinners ou rotators em detrimento de equipamentos com sprays. Como ponto de partida foram considerados os elemento de base apresentados no Quadro 4. Características gerais Quadro 4 Elementos de Base Características dos sistemas Pivot 20 Pivot 30 Pivot 50 Área regada (ha) 21,3 29,9 51,3 Caudal (m 3 h -1 ) 94,5 135,1 231,0 Desnível do centro do pivot a qualquer ponto da parcela regada (m) 0 Distância do grupo de bombagem ao centro do pivot (m) 500 Diâmetro da tubagem de alimentação (mm) Desnível do grupo de bombagem ao centro do pivot (m) 0 Desnível de aspiração (m) 2 Dotação aplicada (m 3 h -1 ) 6000 Pressão necessária no final do pivot para os emissores Spray, Rotator e Spinner (kpa) 150; 200; 200 % das horas de rega facturadas em vazio e em cheia Vazio 60 ; Cheias 40 Custo da energia facturada no período vazio e no período de cheia ( /kwh) Vazio 0,06 ; Cheias 0,1-7 -

8 ª Situação - Análise Partindo do princípio que os pivots já existem e que há interesse em substituir os emissores, apresenta-se no Quadro 5 o número necessário de emissores e os custos associados à alteração de equipamento para cada caso, enquanto que no Quadro 6 apresentam-se os custos relativos ao grupo de bombagem face às necessidades de alteração. Modalidade Quadro 5 Necessidades e Custos da Alteração do Tipo de Emissores Tipo de Equipamento Quantidade Emissores Custo unitário Custo total Quantidade Reguladores de pressão/1 Custo unitário Custo total Spinner ,0 2249, ,71 963, Pivot 20 Rotator ,8 2023, ,71 728, Spinner ,0 2698, , , Pivot 30 Rotator ,8 2558, ,71 921, Spinner ,0 3598, , , Pivot 50 Rotator ,8 3629, , , Quadro 6 - Alterações necessárias a efectuar ao nível do grupo de bombagem. Modalidade Tipos de Equipamento Potência do Motor (kw) Tipo de Bomba Custos de Alteração Spray 20 11,0 Mec A1/80 B Spinner 20 pivots 20 ha 15,0 Mec A1/80 A 1901,0 Rotator 20 15,0 Mec A1/80 A 1901,0 Spray 30 15,0 Mec A1/100 A Spinner 30 pivots 30 ha 15,0 Mec A1/80 A 678,0 Rotator 30 22,0 Mec A2/80 D 3331,0 Spray 50 37,0 Mec A2/100 C Spinner 50 pivots 50 ha 45,0 Mec A2/100 B 4555,0 Rotator 50 45,0 Mec A2/100 B 4555,0 Da análise deste último Quadro pode concluir-se que a substituição do tipo de emissores acarreta alterações ao grupo de bombagem, que podem passar pela simples substituição do impulsor da bomba, ou exigir alterações mais profundas, como seja substituir a bomba, ou o motor, ou mesmo todo o grupo

9 No Quadro 7 apresenta-se um resumo do diferencial de custos relativos aos custos de exploração correspondentes à mesma situação, enquanto no Quadro 8 apresenta-se um resumo dos custos totais. Quadro 7 - Diferencial de custos de exploração (1ª situação) Modalidade Tipos de Equipamento Motor (kw) Volume aplicado (m 3 ) Número de horas de funcionamento (h) Consumo (kwh) Custo Diferencial de Custos Spray 20 11, Spinner 20 pivots 20 15, Rotator 20 15, Spray 30 15, Spinner 30 pivots 30 15, Rotator 30 22, Spray 50 37, Spinner 50 pivots 50 45, Rotator 50 45, Quadro 8 - Resumo dos custos anuais (1 situação). Modalidade Carta de rega Bombagem de Equipamento * 1 Diferencial de Custos Anuais de Exploração por ha Acréscimo Produção Necessário (t/ha) * 2 Spinner ,0 1901,0 5114, ,22 Rotator ,3 1901,0 4652, ,21 Spinner ,6 678,0 4533, ,06 Rotator ,6 3331,0 6810, ,24 Spinner ,8 4555,0 9695, ,18 Rotator ,1 4555,0 9491, ,18 *1 - considerando um período de vida útil de 15 anos (sem ter em conta um factor de actualização). *2 - considerando a cultura do milho e um custo de 0,16 /kg (sem ter em conta um factor de actualização). Da análise do Quadro 8 facilmente se conclui que a alteração de uma carta de rega de um pivot equipado com emissores do tipo spray para outra usando spinner ou rotators, implica um custo suplementar que, de acordo com as condições de base, podem oscilar entre os 10 /ha/ano (pivot de 30 ha equipado com spinner) e os 35 /ha/ano (pivot de 20 ha equipado com spinner). Dada a dificuldade de quantificar, em termos de aumento de produção, o aumento da uniformidade de aplicação da água, quando se passa de um tipo de emissores para outro, apresenta-se, na última coluna do Quadro 8, como indicador que, para compensar esta - 9 -

10 substituição, ter-se-á que garantir um acréscimo de produção da ordem dos 60 kg/ha/ano e 220 kg/ha/ano respectivamente para as duas situações limites, considerando o preço do milho de 0,16 /kg ª Situação - Análise Considerando os mesmos pressupostos da Situação 1, apresenta-se no Quadro 9 o diferencial de custos relativos à aquisição de um pivot novo equipado com emissores do tipo spinners ou rotators relativamente à escolha por sprays. Modalidade Carta de rega Bombagem Quadro 7 - Resumo dos custos anuais (Situação 2). Diferencial de Custos Anuais Equipamento Exploração * 1 por ha Acréscimo de Produção Necessário. (t/ha) * 2 Spray , ,6 Spinner , , ,16 Rotator , , ,15 Spray , ,8 Spinner , , ,03 Rotator , , ,18 Spray , ,7 Spinner , , ,12 Rotator , , ,12 *1 - considerando um período de vida útil de 15 anos (sem ter em conta um factor de actualização). *2 - considerando a cultura do milho e um custo de 0,16 /kg (sem ter em conta um factor de actualização). 5 - Conclusões As principais conclusões que se poderão inferir são: Todos os spinners testados e o rotator com prato castanho são os emissores que apresentam melhor uniformidade, por oposição ao spray com prato cinzento que revelou a uniformidade mais baixa; A eficiência de descarga mais elevada obteve-se com a utilização do spray com prato cinzento e do spinner com prato amarelo. Apesar de instalado a 4 m do solo o rotator com prato azul não apresentou diferenças significativas relativamente aos restantes rotators instalados em drop no que respeita à eficiência de descarga; As intensidades pluviométricas instantâneas mais elevadas verificaram-se nos sprays, principalmente no spray liso (turquesa); As intensidades pluviométricas instantâneas mais baixas verificaram-se nos spinners e rotators, com principal destaque para o rotator de prato azul, instalado sobre a conduta do pivot, em virtude do seu maior alcance de aspersão. Por outro lado poder-se-á ainda concluir que, a escolha por qualquer tipo de emissores deve prender-se essencialmente com os aspectos de aumento de produção, do que com os custos dos equipamentos, já que facilmente se conclui que compensar os aumentos de custos

11 necessários para trabalhar com emissores que propiciem uma uniformidade de aplicação mais elevada são necessários aumentos de produção até valores próximos de 200 kg/ha/ano (milho). 6 - Referências Bibliográficas ANSI/ASAE Standards S436 (1995) Test procedure for determinig the uniformity of water distribuition of center pivot, corner pivot, and moving lateral irrigation machines equipped with spray or sprinkler nozzles. Dillon C. et al (1972) Center-pivot sprinkler design based on intake characteristics. Transactions of ASAE 5 (1): Hanson, B., Orloff, S. (1996) Rotator nozzles more uniform than spray nozzles on center-pivot sprinkler. California Agriculture, 50 (1), ISO (1994) Agricultural irrigation equipment. Center pivot and moving lateral irrigation machines with sprayer or sprinkler nozzles. Determination of uniformity of water distribution. Merrian, J., Keller, J. (1978) Farm irrigation systems evaluation: a guide for management. Utah State University, Logan, Utah, USA. Montero, J. et al (2003) Behaviour of several kinds of emitters on water distribuition eith center pivot equipments. CREA Univ. Castilha-La Mancha. Albacete, Spain Montero, J. et al (1997) Análisis de la distribuición de agua en riegos con equipos pivot. XV Congresso Nacional de Riegos y Drenages. Lérida. Asociación Española de Riegos e Drenages. Oliveira, I.; Nunes, F. e Fabião, M 2004 Avaliação da Rega por Aspersão - Pivot. Guia de Rega - Fascículo 3.2. Centro Operativo e de Tecnologia de Rega. Beja,