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 DELR
IEGO DEP
RECISIÓN DESDE LAP
LATAFORMAFIGARO
Valencia, 30 de Junio 2016
1
La optimización del uso del agua y la energía en
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
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 3
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
–
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
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 5Estimación 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
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
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 7Estimación 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
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. hidranteReducción
emisiones CO2
Reservas agua
otros usos
Menor
degradación
del medio
Laminación
demanda
Tarifas valle Ajuste necesidadesO
PTIMIZ
E
CONÓMICA
A
HORROCOSTES
9 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de RiegoL
A
O
PTIMIZACIÓN DEL
U
SO DEL
A
GUA
,
LA
E
NERGÍA Y LOS
F
ERTILIZANTES
Consideraciones generales
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 11• 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
Tecnologías de riego
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 13– 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)
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
Modos de organización del riego
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 15– 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
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
Modos de organización del riego
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 17– 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
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
La Configuración de la red de riego
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.
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 21Niveles 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
.
El Modo de Operación de la
Estación de Bombeo
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
/
.
,
€
€
Variables de operación en una E. Bombeo
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 25– 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
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)
Las Tarifas Eléctricas
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
–
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
29 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego–
Coste del kWh en el mercado eléctrico en tiempo real para el 30‐6‐2016
(Red Eléctrica)
31
–
Coste del kWh en el mercado eléctrico para la semana 24/30 junio 2016
(Red Eléctrica)
Optimización económica de la jornada de riego
31 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego33
‒
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
33 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego–
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
‒
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
•
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
La Simulación Hidráulica
–
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
–
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
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 396:30
Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante
9:30
Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante
15:30
Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante
18:00
Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante
DUF
avg= 86.67%
DUF
Std= 24.21%.
TFert/TRieg% 20 40 60 80 100 %Sector S1
Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante
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
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
Las Técnicas de Optimización
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
oAlgoritmos genéticos (AG)
oOtros algoritmos: recocido simulado, colonia de hormigas, etc
Fronteras de Pareto (multi‐objetivo)
Optimización energética riego por turnos
Sectorización mediante algoritmos genéticos (GA)
Fundamentos
oPrimeramente se determina el número de sectores a considerar
oSe establecen una serie de combinaciones iniciales a la hora de asignar las tomas
a los diferentes sectores
oMediante un proceso de cruces de las combinaciones anteriores se determinan
nuevas combinaciones, cada vez más eficientes conforme un criterio de
evaluación
Resultados
oGarantiza el menor consumo energético para la jornada de riego.
oEstablece la presión de consigna a fijar en el autómata para cada sector de riego.
oGarantiza la presión mínima de funcionamiento en los hidrantes.
Aplicación
oVálido para turnos de duración preestablecida o tpos de riego variables por toma
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 53Optimización 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
50Zonas de operación de 2 BVV en paralelo
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
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
Segunda mejora :
Maximizar el número de tomas que riegan por gravedad
pmin head loss Bombeo GravedadCota
terreno
Optimización del riego operando las válvulas
III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 57Segunda 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
C
ASO DE
E
STUDIO
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
1.
El
error del modelo
sobre el consumo previsto de energía fue del
2%
(0.138 kWh m
-3vs 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
NOCV
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 Volumenbombeado 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
Año 2012
Vol
grav= 1676 m
3EDI (%) = 71.6 %
CEVT
p= 0.134 kWh m
‐3P
minHid= 0.25 MPa
Vol
grav= 2341 m
3EDI (%) = 60.3 %
CEVT
p= 0.129 kWh m
‐3P
minHid= 0.20 MPa
Vol
grav= 3296 m
3EDI (%) = 44.1 %
CEVT
p= 0.109 kWh m
‐3 GravedadAnálisis de resultados
Bombeadob) Escenario 4 con P
min_Hid= 0.25 Mpa
Caudal total demandado (Q, ls
‐1), energía consumida por m
3bombeado (CEVT
p
, kWh m
‐3) y eficiencia de las
bombas, tanto la de velocidad variable (η
1VSP) como de las dos bombas de velocidad fija (η
2FSP and η
3FSP)
Las valores han sido calculados cada 5 minutos
a) Escenario 2012
CEVTp CEVTpQ
(l/
s)
Q
(l/
s)
R
e
ndimien
to
bombas
R
e
ndimien
to
bombas
CEVTp CEVTpAnálisis de resultados
63 III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego•
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
I
NTEGRACIÓN DEL
O
PTIMIZADOR EN
FIGARO
•
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