FIGARO. La optimización del uso del agua y la energía en redes de riego a presión IMPLANTACIÓN DEL RIEGO DE PRECISIÓN

(1)

Una plataforma Flexible de Riego de Precisión para la mejora de la productividad del agua a nivel de parcela

FIGARO

Fernando Martínez Alzamora, IIAMA‐UPV

III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego

I

MPLANTACIÓN DEL

R

IEGO DE

P

RECISIÓN DESDE LA

P

LATAFORMA

FIGARO

Valencia, 30 de Junio 2016

1

La optimización del uso del agua y la energía en

(2)

Contenidos

• La Gestión Técnica del Riego

• La optimización del uso del agua, la energía y

los fertilizantes

• Un caso de estudio

• La integración del optimizador en FIGARO

(3)

III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 3

(4)

Gestión Técnica del Riego

–

Gestión Agronómica

• Determinación necesidades hídricas de los cultivos

• Cálculo de los tiempos de riego necesarios

(teóricos)

• Establecimiento del número y frecuencia de riegos

• Fertirrigación Colectiva:

–

Determinación de las Unidades Fertilizantes requeridas

–

Elaboración de las mezclas de fertilizantes a utilizar

–

Establecimiento de los calendarios de fertirrigación

(5)

5

–

Gestión Hidráulica

• Suministrar el agua requerida de la forma más

conveniente:

–

Caudales adecuados

–

Presiones suficientes

–

Rotación de turnos y ajuste de los tiempos de riego

–

Menor consumo energético posible

–

Ahorro de costes utilizando las tarifas más

ventajosas y el volumen de las balsas, si existen.

–

Máxima eficacia en la

aplicación de los fertilizantes

Gestión Técnica del Riego

(6)

Estimación de las

Necesidades hídricas

Datos climáticos

Datos agronómicos

Sensores campo

Teledetección

Evaluación gestión

agronómica (agua)

Lecturas contadores

Gestión agronómica del cultivo

Programación

Nº riegos

Ajuste necesidades

A

HORRO DE

AGUA

(7)

7

Estimación Necesidades

Energéticas

Presiones requeridas

Trazado de la red

Características equipos

Sectorización

Evaluación gestión

hidráulica (energía)

Medida de presiones

Facturas eléctricas

Gestión hidráulica de la red de riego

Programación

Jornada de Riegos

Garantía presiones

Ajuste necesidades

Eficiencia equipos

Tarifas aplicables

G

ARANTÍA

SERVICIO

A

HORRO DE

A

GUA ADIC

.

A

HORRO DE

ENERGÍA

(8)

Estimación Necesidades

Fertilizantes

Datos agronómicos

Análisis foliar

Evaluación gestión

agronómica (abonos)

Fertilizantes aplicados

Gestión de la fertirrigación

Programación

Fertirrigación

Ajuste necesidades

A

HORRO DE

FERTILIZANTES

Evaluación gestión

hidráulica

Tiempos efect. fertirrigación

(9)

Programación

Nº Riegos

Esquema de optimización general

Programación

Jornada Riego

Programación

Turnos

Fertirrigación

A

HORRO

E

NERGÍA

A

HORRO

A

GUA

A

HORRO

F

ERTILIZANTES

Ajuste neces. globales Mejor Eficiencia Ajuste neces. hidrante

Reducción

emisiones CO2

Reservas agua

otros usos

Menor

degradación

del medio

Laminación

demanda

Tarifas valle Ajuste necesidades

O

PTIMIZ

E

CONÓMICA

A

HORRO

COSTES

9 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego

(10)

L

A

O

PTIMIZACIÓN DEL

U

SO DEL

A

GUA

,

LA

E

NERGÍA Y LOS

F

ERTILIZANTES

(11)

Consideraciones generales

• La tecnología del riego

• La organización del riego

• La configuración de la red de riego

• El modo de operación de las E. Bombeo

• Las tarifas eléctricas

• El sistema de fertirrigación

• La simulación hidráulica

• Las técnicas de optimización

Cualquier algoritmo destinado a optimizar el uso del

agua, la energía o los fertilizantes en las redes de riego

debe tener presente las siguientes consideraciones

(12)

(13)

Tecnologías de riego

– Riego por aspersión

 Los riegos son espaciados en el

tiempo (1 ó 2 semanas)

 La eficiencia del riego es menor por

dispersión, viento, evaporación...

 Las presiones requeridas en hidrante

llegan a 40 m

 Riego por goteo

 Pueden ser de alta frecuencia (diario)

 La eficiencia hídrica es mayor al

aplicar el agua sobre la zona radicular

 Las presiones requeridas en goteo son

menores (10 m)

(14)

Modos de organización del riego

– Riego a la demanda

• Demanda libre

 Cada usuario decide por su cuenta la cantidad e de agua a

tomar y el momento para aplicarla

 El ahorro de agua queda a criterio del agricultor

 El ahorro de energía se limita a optimizar la respuesta de la

estación de bombeo

 Los costes energéticos dependen de la hora de riego elegida

• Demanda restringida



Cada usuario puede regar dentro de un periodo de tiempo

preestablecido

 Es posible evitar concurrencias de demanda

(15)

Modos de organización del riego

– Riego por turnos

• Turnos programados

 Se establecen varios turnos de riego por jornada

 Cada usuario es asignado a un turno de riego determinado

 Los turnos son establecidos en principio por criterios de

proximidad, cota del terreno, capacidad de bombeo, ..

 Se pueden aplicar algoritmos de optimización para asignar a

cada toma el turno más conveniente

 Al uniformar los tiempos de riego, se producen excesos o

defectos de agua aplicada

 El consumo energético es fijo para cada turno

 Se pueden evitar los periodos punta de mayor coste

(16)

Modos de organización del riego

– Riego por turnos

• Turnos a demanda

 Cada usuario elige el turno preestablecido en que desea regar

 Se pierde el control del punto de operación de las bombas, y

por tanto del consumo energético

• Turnos optimizados

 Un algoritmo de optimización determina previamente el turno

más conveniente en que debe regar cada toma

 Permite controlar los caudales en cada turno y el punto de

operación más conveniente de las bombas

 Al aplicar el mismo tiempo de riego a todas las tomas se pierde

eficiencia hídrica

(17)

Modos de organización del riego

– Riego programado por tomas según demanda

• Peticiones de usuarios

 Los usuarios realizan peticiones de volúmenes de agua

a aplicar o tiempos de riego

 Un gestor asigna el momento de apertura y cierre de

cada válvula conforme a las peticiones recibidas

 El gestor reparte los tiempos de riego a su criterio para

evitar solapamientos y controlar el consumo

energético

 Es posible aplicar un algoritmo que optimice la

coordinación de los riegos para minimizar los costes

 El ahorro de agua queda a criterio del agricultor

(18)

Modos de organización del riego

– Riego programado por tomas según demanda

• Conforme necesidades hídricas de los cultivos

 Similar al anterior, pero los volúmenes aplicados se

adecúan a las necesidades hídricas de los cultivos

 Es posible optimizar en este caso el consumo de agua,

de energía y los costes energéticos

 Sería el modo de riego óptimo y recomendado

 En caso de fertirrigación centralizada, las necesidades

de abonado pueden condicionar las decisiones

óptimas anteriores

(19)

La Configuración de la red de riego

(20)

Sistemas de suministro del agua de riego

Existen diversas tipologías de redes de riego a fin de

proporcionar la presión requerida en los hidrantes

• Suministro

por gravedad

desde un embalse situado a cota

suficiente y alimentado por una canal de transporte

• Red de

captación y elevación a embalses

de regulación,

independiente de la red

de riego.

• Red de

captación y elevación a embalses

de regulación,

formando parte de la red de distribución

de riego.

• Inyección directa mediante grupos de elevación

desde depósito

a red de distribución.

• Red de riego con múltiples puntos de captación y varias obras

de regulación

interconectadas en la red de riego.

(21)

Diferentes modos de alimentar una red de riego

Captación y embalse en cabecera Captación y embalse formando parte de la red Bombeo con inyección directa Sistema mixto con varios bombeos y depósitos 21

(22)

Niveles de automatización

• Automatización individual del riego en parcela

,

normalmente con un programador y un conjunto de

válvulas hidráulicas o electroválvulas.

• Automatización general de una red de riego y su gestión

,

habitualmente realizado con un ordenador central y una

red en anillo de unidades de campo que controlan cada

uno de los hidrantes, tomas o unidades de control remoto.

• Regulación y control de la estación de bom

beo

para

adaptar la demanda de caudal y presión a las necesidades

de la red con el fin de reducir el coste energético.

• Automatización integral del sistema para programar los

riegos, la fertirrigación, la limpieza de cabezales, etc

.

(23)

El Modo de Operación de la

Estación de Bombeo

(24)

Variables de operación en una E. Bombeo

– Variables de operación de una E. Bombeo

• Estado de marcha y paro de las bombas

• Caudal impulsado por cada bomba

• Altura de bombeo

• Velocidad de giro de las bombas de veloc. variable

– Potencia y energía absorbida por una bomba

.

E

/

.

,

€

(25)

Variables de operación en una E. Bombeo

– Variables consignables con BVF

• Número de bombas en operación

– Variables consignables con BVV

• Número y tipo bombas en operación

• Velocidad de giro de las BVV

• Altura de impulsión

(26)

Variables consignables en una E. Bombeo

– Modo de operación real de las E.B.

• En la práctica las E.B. van provistas de un sistema de

control propio que arranca o para las bombas por consignas

• Usualmente trabajan con consignas de presión y de

velocidad mínima para las BVV

– Variables consignables en la práctica

• El caudal horario demandado

o

Depende de la organización de los turnos o de las

horas de apertura y cierre de las válvulas

• La altura de bombeo (no siempre)

(27)

Las Tarifas Eléctricas

(28)

Valle (descuento 43%)

Llano

Punta (recargo 100%)

Optimización económica de la jornada de riego



Determinación de la secuencia de riego de los distintos

sectores

(29)

29

–

Estructura tarifaria en el marco de la nueva ley del mercado eléctrico para

P > 450 kW –A T

(tarifas decrecientes de P1 a P6)

Optimización económica de la jornada de riego

(30)

–

Coste del kWh en el mercado eléctrico en tiempo real para el 30‐6‐2016

(Red Eléctrica)

(31)

31

–

Coste del kWh en el mercado eléctrico para la semana 24/30 junio 2016

(Red Eléctrica)

Optimización económica de la jornada de riego

(32)

(33)

33

‒

Fertirrigación a nivel de parcela

• El agricultor dispone de sus propios equipos de fertilización

• Usualmente fuerza el riego durante el periodo de fertilización

‒

Fertirrigación por turnos

• En determinados turnos de riego se inyecta un fertilizante en

cabecera de red

• El fertilizante tardará un tiempo para llegar a los puntos de

aplicación, viajando a través de la red

• Por contra, el agua con fertilizante puede permanecer un tiempo en

la red tras finalizar el turno de fertirrigación

‒

Fertirrigación en continuo

• Toda el agua suministrada a la red va dosificada con fertilizante en

pequeñas dosis

• La fertilización se suprime en determinadas épocas del año

Sistemas de fertirrigación

(34)

–

Comunidades de regantes donde predomina el

monocultivo (frutales)

–

Explotaciones de tamaño pequeño (0.5‐1 ha)

–

Organización del riego por Sectores/Turnos

–

Equipo de inyección central

• Venturi

• Bombas

–

Pistón

–

Centrífugas

–

Automatización

• Tiempos de inicio y parada

Características Fertirrigación centralizada

(35)

35

‒

Necesidades UF de las parcelas

• Diferentes necesidades según especie, tamaño, época

del año, análisis foliares

– Determinación de los fertilizantes a utilizar

• Composición óptima según la época del año

– Número y frecuencia de riegos con fertirrigación

• Concentr. Max Fert : 0,5 gr/l agua de riego

(Producción Integrada)

– Tiempo de Fertirrigación

• Tiempo de llegada desde el cabezal a las Tomas

Tiempo de Riego < > Tiempo de Fertirrigación Real

Gestión de la fertirrigación

(36)

• Sectores que no fertirriegan

–

Resulta difícil garantizar que no reciban fertilizante

–

Se produce el “lavado” del Fertiliizante de la red

Ejemplo. Sector teóricamente sin Fertirrigación

TFert/TRieg% 0 20 40 60 80 100 H- 12 3 H- 12 6 H- 18 3 H- 18 4 H- 18 5 H- 2 0 1 H- 2 9 1 H- 3 3 C-4 H- 3 8 C-5 H- 3 8 C-6 H- 3 9 C-5 H- 3 9 C-7 H- 4 2 C-5 H- 5 C- 1 H- 5 1 C- 4 H- 5 6 C-6 H- 5 7 C- 1

Gestión de la fertirrigación. Ejemplo

(37)

La Simulación Hidráulica

(38)

–

El proceso de optimización conlleva realizar

múltiples simulaciones de la respuesta de la

red ante las estrategias de operación

–

Aunque las redes sean aparentemetne

ramificadas, la presencia de varias fuentes de

suministro las convierte en malladas

–

Demandas fijas o dependientes de la presión

–

Nivel hidrante, toma, aspersor o gotero

–

Leyes de control

–

Condiciones inyección fertilizantes

La Simulación Hidráulica

(39)

–

Consumo de los grupos de bombeo

–

Comportamiento de la red

(

presiones máximas y mínimas,

caudales y velocidades en tuberías…)

–

Distribución del fertilizante en red

Simulación hidráulica escenarios de riego

Calibración

Modelo hidráulico

EPANET

(40)

(41)

6:30

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(42)

(43)

9:30

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(44)

(45)

15:30

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(46)

(47)

18:00

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(48)

DUF

_avg

= 86.67%

DUF

_Std

= 24.21%.

TFert/TRieg% 20 40 60 80 100 %

Sector S1

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(49)

DUF

_avg

= 86.67%

DUF

_Std

= 24.21%.

%TFert/TRieg 0 20 40 60 80 100 H-12 C-3 H-12 C-6 H-18 C-3 H-18 C-4 H-18 C-5 H-20 C-1 H-29 C-1 H-33 C-4 H-38 C-5 H-38 C-6 H-39 C-5 H-39 C-7 H-42 C-5 H-5 C-1 H-51 C-4 H-56 C-6 H-57 C-1 %

Sector S6

Arviza, J.; Martínez, F.; Jiménez. M.A.; Balbastre, I.(2015). Integración de la gestión de la fertirrigación colectiva de

una comunidad de regantes en un entorno SIG. Actas del IIII Congreso de Agro-ingeniería 2005, Resumen pp 73-74.

ISBN 84-9773-208-1

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

49

(50)



Posibilidades de mejora

–

Rotar los sectores de riego. De este modo todos los

sectores son igualmente perjudicados ó

beneficiados

–

Instalar válvulas sectorizadoras para aislar las

parcelas sin fertirrigación (cultivos ecológicos)

–

Compensar los déficits de suministro a dichas

parcelas durante los turnos sin fertirrigación

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

(51)

Las Técnicas de Optimización

(52)

Técnicas de optimización



Formulación del problema por Progamación Lineal



Formulación con restricciones No Lineales



Formulación con variables enteras (binarias o no)



Formulación del objetivo mediante funciones de penalización



Formulación multiobjetivo



Métodos matemáticos (PL, IP, …)



Métodos heurísticos

o

Algoritmos genéticos (AG)

o

Otros algoritmos: recocido simulado, colonia de hormigas, etc

Fronteras de Pareto (multi‐objetivo)

(53)

Optimización energética riego por turnos



Sectorización mediante algoritmos genéticos (GA)



Fundamentos

o

Primeramente se determina el número de sectores a considerar

o

Se establecen una serie de combinaciones iniciales a la hora de asignar las tomas

a los diferentes sectores

o

Mediante un proceso de cruces de las combinaciones anteriores se determinan

nuevas combinaciones, cada vez más eficientes conforme un criterio de

evaluación



Resultados

o

Garantiza el menor consumo energético para la jornada de riego.

o

Establece la presión de consigna a fijar en el autómata para cada sector de riego.

o

Garantiza la presión mínima de funcionamiento en los hidrantes.



Aplicación

o

Válido para turnos de duración preestablecida o tpos de riego variables por toma

(54)

Optimización de los turnos de riego utilizando AG

Antes de

optimizar los

turnos

Después de

optimizar los

turnos

Esta metodología

se ha aplicado

para turnos de

duración

prefijada

No se

consigue

ningún ahorro

de agua

50

Zonas de operación de 2 BVV en paralelo

(55)

Primera mejora :

Ajustar los tiempos de riego a los tiempos requeridos

ANTES

DESPUES

Todas las tomas agrupadas en el

mismo turno riegan el mismo

tiempo

Cada toma puede operar en

cualquier momento indicando

el instante de aperture y de

cierreo

Optimización del riego operando las válvulas

(56)

Primera mejora :

Ajustar los tiempos de riego a los tiempos requeridos

Número de tomas

• Cromosoma:

Instante de apertura (1 to n)

• El tiempo de riego se divide en n fracciones. Ej. cada 5 min in 10 h  n = 120

• Func. objetivo:

9,81

∆

Min

s.t.

Para cada

intervalo i

Optimización del riego operando las válvulas

(57)

Segunda mejora :

Maximizar el número de tomas que riegan por gravedad

p_min head loss Bombeo Gravedad

Cota

terreno

Optimización del riego operando las válvulas

(58)

Segunda mejora :

Maximizar el número de tomas que riegan por gravedad

• Cromosoma:

• Para las tomas restantes, el tiempo de inicio del riego se fracciona en n intervalos,

como antes

• Función objetivo:

ú

á

/

_,

s.t.

ú

á

/

_,

Tomas restantes

Bit que indica si la toma se

alimenta por gravedad o no (0/1)

Tiempo apertura (1 to n)

Tomas restantes

• En un primer paso se desechan las tomas cuya cota es mayor que (WHI ‐ p

_min

)

Optimización del riego operando las válvulas

Jiménez Bello, M.A., Royuela, A., Manzano, J., García Prats, A.,Martínez- Alzamora, F. (2015) Methodology to

(59)

C

ASO DE

E

STUDIO

(60)

Sector XI Picassent (Valencia, Spain) – CCRR Jucar‐Turia

• Superficie irrigada:

180 ha

• Tamaño medio parcela:

3276 m

3

• Cultivo:

Frutales

(95% cítricos)

• 62

hidrantes multi‐usuario

• 342

tomas de riego

• Fertirrgación

centralizada

• Automatización a

nivel de toma

• Programa de riego bajo demanda

(61)

1. El

error del modelo

sobre el consumo previsto de energía fue del

2%

(0.138 kWh m

-3

_{vs 0.134 kWh m}

-3

₎

2. Se simularon

3 escenarios

con diferentes

presiones mínimas

requeridas

en cada hidrante

3. Se determinó el

número máximo de tomas

que podían regar

sin

aporte extra de energía

4. Las

tomas restantes

operaron mediante bombeo

con un consumo

mínimo de energía

Esc

P

min_Hid

(MPa)

WHI

(MPa)

I

NOC

V

_pump

(m

3

₎

V

_grav

(m

3

₎

EDI(%)

CEVT

_p

(kWh m

‐3

₎

CEVT

_T

(kWh m

‐3

₎

1 (2012)

‐

0.319

36 4224

1676

71.6

0.134

0.096

2

0.20

0.245 ‐

2604

3296

44.1

0.109

0.048

3

0.22

0.275 ‐

3428

2472

58.1

0.123

0.072

4

0.25

0.295 ‐

3559

2341

60.3

0.129

0.078 50 % ahorro

_{18.4 % ahorro}

Análisis de resultados

Tomas con presión insuficiente Presión bombeo Volumen

bombeado Volumen por _gravedad P min en hidrante Consumo medio bombeo Consumo medio todas las tomas Porcent Volumen bombeado 61 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego

(62)

Año 2012

Vol

_grav

= 1676 m

3

EDI (%) = 71.6 %

CEVT

_p

= 0.134 kWh m

‐3

P

_minHid

= 0.25 MPa

Vol

_grav

= 2341 m

3

EDI (%) = 60.3 %

CEVT

_p

= 0.129 kWh m

‐3

P

_minHid

= 0.20 MPa

Vol

_grav

= 3296 m

3

EDI (%) = 44.1 %

CEVT

_p

= 0.109 kWh m

‐3 Gravedad

Análisis de resultados

Bombeado

(63)

b) Escenario 4 con P

_{min_Hid}

= 0.25 Mpa

Caudal total demandado (Q, ls

‐1

_{), energía consumida por m}

3

_{bombeado (CEVT}

p

, kWh m

‐3

) y eficiencia de las

bombas, tanto la de velocidad variable (η

₁

VSP) como de las dos bombas de velocidad fija (η

₂

FSP and η

₃

FSP)

Las valores han sido calculados cada 5 minutos

a) Escenario 2012

CEVT_p CEVT_p

Q

(l/

s)

Q

(l/

s)

R

e

ndimien

to

bombas

R

e

ndimien

to

bombas

CEVT_p CEVT_p

Análisis de resultados

(64)

• Una metodología previamente desarrollada por los autores para

minimizar el consumo de energía

agrupando las tomas por turnos ha

sido mejorada

permitiendo que cada toma opere el tiempo requerido

–

De esta forma, se pueden ajustar con precision las necesidades de riego,

ahorrando agua y energía

• En sistemas donde la balsa tiene cota suficiente para alimentar algunas

tomas sin bombeo, una extension del método anterior ha permitido

maximizar el número de tomas alimentadas por gravedad

–

Gracias a ello se obtienen ahorros de energía adicionales

• El método anterior ha sido aplicado a un

caso de estudio

habiendo

obtenido un

ahorro realista de energía del 18.4 %

–

Ello se debió funamentalmente al incremento del número de tomas regadas

por gravedad

• Sin embargo, si la

presión minima requerida en el hidrante se redujera un

20 %

, se podrian haber obtenido

ahorros hasta del 49 %

para el caso de

Conclusiones

(65)

I

NTEGRACIÓN DEL

O

PTIMIZADOR EN

FIGARO

(66)

• Gestión agronómica (nivel de parcela)

• Gestión hidráulica (nivel del red)

Cómo dar exactamente las necesidades de agua a cada parcela considerando:

Gestión del riego

• Textura del suelo

• Tipo de cultivo

• Estado fenológico

• Predicción meteorológica

• Humedad del suelo

• Estrés de la planta …

• Necesidades de agua diarias

• Estrategia de riego

• Dosis de fertilizantes



_{La disponibilidad de agua en cantidad y calidad y sus costes}



Las estaciones de bomboe, depósitos y las restricciones de la red

(67)

• El conjunto de datos requeridos se pueden agrupar en:

–

Descripción de la red de riego

–

Descripción de las subunidades de riego

–

Descripc. estación bombeo y restricciones

–

Geometría (opc)

–

Esquema de riego

–

Datos para simular la calidad

–

Datos de calibración

–

Contratos y tarifas eléctricas

–

Estructura del Sistema de riego

–

Opciones de optimización

Estructura de los datos

Modelo

hidráulico

Modelo de

optimización

Da

to

s

es

tá

tic

o

s

Da

to

s

dinámicos

(68)

• Los datos estáticos de la red se declaran al mismo

tiempo que las parcelas y los cultivos. Incluyen:

–

La declaración de todos elementos hidráulicos de la red

–

La estructura tarifaria

–

El esquema de riego

–

Las rectricciones de tipo general aplicables en cualquier caso

• Antes de cada optimización se declaran los datos

adicionales requeridos:

–

Las necesidades de riego previstas en cada toma/hidrante

–

Los costes horarios de la energía a lo largo del periodo de

optimización

–

Las restricciones particulares aplicables para el periodo de

Optimización

(69)

• Los resultados de la Optimización se muestran a través

de informes, se remiten al Sistema de Control o se

aplican directamente sobre el autómata. Incluyen:

–

Las horas de aperture/cierre de cada válvula

–

La operación óptima de las bombas, de acuerdo con los grados

de libertad

–

Los esquemas de inyección de fertilizantes

–

Informes sobre el proceso de optimización, costes energéticos,

soluciones alternativas, índices de eficiencia, etc

Modo de operación

(70)