informe técnico por prototipos integrados

INFORME TECNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS
OPTIMIZAGUA
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INFORME TÉCNICO POR
PROTOTIPOS INTEGRADOS
Versión 09/2004
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Índice
PRESENTACION....................................................................................................................................................... 1
1 GRADO DE INNOVACIÓN DEL PROTOTIPO INTEGRADO ................................ ........................................... 3
1.1 Ventajas tecnológicas .......................................................................................................................... 7
1.2 Resultados esperados de la innovación ................................................................................................ 8
2 EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET) ...................................................................................................................... 8
3 RELACIÓN ENTRE EVAPOTRANSPIRACIÓN Y NECESIDADES DE RIEGO .................................................. 9
4 ROL DE LA ET EN LA PROGRAMACIÓN DE RIEGOS .................................................................................. 9
5 MÉTODO DE CALCULO (ET DE REFERENCIA)............................................................................................ 9
6 PRECIPITACIÓN EFECTIVA Y NECESIDADES HÍDRICAS NETAS DE LOS CULTIVOS .............................. 10
7 CÁLCULO DE LAS NECESIDADES BRUTAS DE RIEGO DE LOS CULTIVOS .............................................. 11
8 GENERACION DE CALENDARIOS DE RIEGO............................................................................................ 13
9 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CULTIVO .............................................................................................. 13
10 ORGANIGRAMA PARA EL CALCULO DE NECESIDADES HIDRICAS Y CONTROL A TIEMPO REAL
MEDIANTE SENSORES ................................................................................................................................ 14
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1 OBJETO
El objeto del presente informe es definir los aspectos técnicos y
metodologías de cálculo desarrolladas e implementadas en el prototipo
integrado y que permiten el cálculo de las necesidades hídricas de los
cultivos (trigo, maíz y césped) y el control a tiempo real mediante
sensores.(software)
2 CONSIDERACIONES GENERALES
El prototipo parte de la base de que las necesidades de riego de los cultivos
dependen fundamentalmente del clima, de las características del propio
cultivo, del tipo de suelo y de la eficiencia del sistema de riego utilizado. La
metodología base desarrollada toma como referencia el método PenmaFAO (Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación). Según esta
metodología, el cálculo de las necesidades de agua de riego de los cultivos
se realiza en tres etapas principales:
1. Cálculo de la evapotranspiración de los cultivos (ETc).
Los valores de ETc constituyen las necesidades hídricas brutas de
los cultivos para su desarrollo óptimo y representan la cantidad de agua que
debe existir en la zona radical de un cultivo para satisfacer su demanda
evaporativa. La ETc de un cultivo se determina en función del clima, cuyo
efecto se engloba en el concepto de evapotranspiración de referencia
(ET0), y las características propias del cultivo, efecto que se engloba en el
concepto de coeficiente de cultivo (Kc).
2. Cálculo de las necesidades hídricas netas de los cultivos (NHn).
Estas necesidades constituyen la cantidad de agua que se ha de
suministrar a la zona radical del cultivo mediante el riego. Para calcular las
NHn, se descuenta de la ETc la cantidad de agua aportada por la
precipitación efectiva (PE), que representa la fracción de la precipitación
que contribuye a satisfacer la ETc de un cultivo.
3. Cálculo de las necesidades brutas de agua de riego de los cultivos
Necesidades de riego brutas, mm/mes; es el cociente entre las NHn
y la eficiencia del sistema de riego (expresada en tanto por uno);
representa la cantidad de agua que el riego debe aportar a pie de
parcela, de forma que tras descontar las pérdidas que se produzcan
durante la aplicación del riego, el sistema radicular del cultivo reciba
una cantidad igual a la NHn.
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1 GRADO DE INNOVACIÓN DEL PROTOTIPO INTEGRADO
En líneas generales los actuales sistemas automáticos de riego poseen un
elevado índice de rigidez, en la mayoría de los casos solo permiten
programar el horario de riego a nivel de duración, hora de comienzo y hora
de finalización. Realizan riegos lineales, es decir, no tienen en cuenta las
necesidades hídricas del cultivo, ciclo vegetativo ni las condiciones
climáticas. Esta lógica de funcionamiento potencia el desarrollo de multitud
de problemas, entre los que destacan:
•
Estrés hídrico, es decir falta de agua.
•
Generación de despilfarros hídricos como consecuencia de la
simultaneidad de riego en días de lluvia.
•
Problemas de uniformidad provocados por la acción del viento.
•
Generación de escorrentías superficiales cuando la intensidad del
riego es superior a la capacidad de infiltración del suelo, o por
percolación profunda (exceso de riego). La escorrentía superficial
puede producir importantes procesos de erosión del horizonte
superficial del suelo en parcela con pendiente y la percolación
profunda puede arrastrar los abonos y productos fitosanitarios y
movilizar las sales del subsuelo, lo que puede causar un deterioro de
la calidad de las aguas de retorno del regadío.
•
Desajustes entre el aporte hídrico y las necesidades de la planta,
provocando un aumento de materia verde y creación de medio
propicio para el desarrollo de enfermedades.
En resumen,
empeoramiento de la calidad paisajística y generación de
impactos negativos medioambientales.
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Foto nº 1 Estrés hídrico en maíz
Foto nº 2 Percolación profunda
Foto nº 3 Escorrentía superficial (arrastre de abonos)
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Foto nº 4 Riego de maíz por inundación
Foto nº 5 Riego de alfalfa por inundación ( 4º corte)
Foto nº 5 Desajustes entre aporte hídrico y necesidades hídricas
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El prototipo integrado desarrollado propone un modelo
innovador de
actuación basado en los siguientes puntos fuertes:
•
Cálculo óptimo y continuo de las necesidades hídricas del cultivo a
través del método Penma (Evapotranspiración).
1.1
•
Toma de decisiones en función de las condiciones climáticas.
•
Uso prioritario de aguas pluviales para labores de riego.
•
Control y gestión total del sistema vía GPRS.
•
Conexión de dispositivos a través de radiofrecuencia.
•
Captación on-line de decisiones, resultados, alarmas...
•
Uso de energías alternativas para el transporte del agua de riego.
Ventajas tecnológicas
La ventaja tecnológica más relevante del prototipo integrado es la
capacidad de retroalimentación del sistema a través de la información
procedente del
suelo (sonda humectación), necesidades hídricas de las
plantas según ciclo vegetativo (ET) y las condiciones climáticas (estación de
clima). Analizada esta información el sistema es capaz de generar
diferentes planes de riego en función de necesidades y condiciones
climáticas todo ello bajo criterios de eficiencia.
De igual modo, destaca la eliminación del cableado y el uso de internet
como nexo de unión entre el usuario y el prototipo ofreciendo la posibilidad
de configurar una red telemétrica según necesidades. Esta característica
dota al sistema de un interesante grado de escalabilidad y flexibilidad a un
coste razonable.
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1.2 Resultados esperados de la innovación
Las ventajas tecnológicas descritas combinadas con una adecuada lógica
de funcionamiento orientada al uso eficiente del agua (reutilización
pluviales, aportes hídricos según necesidades y ciclo vegetativo...) van a
permitir importantes ahorros de agua ( entre 35 % y 50 %) , minimizar el
estrés hídrico, homogenizar la distribución del riego, minimizar impactos
ambientales
(
contaminación
difusa),
mitigar
el
desarrollo
de
enfermedades... , en resumen mejorar el medio ambiente a un coste
razonable.
2 EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET)
La evapotranspiración (ET) se resume en las pérdidas de agua a la
atmósfera producidas en los procesos de transpiración (T) de las plantas y
de evaporación (E) directa desde la superficie del suelo y desde las
superficies vegetales donde el agua se ha acumulado procedente del riego,
niebla, rocío o lluvia. Los procesos de E y T se producen simultáneamente y
no existen métodos sencillos para separarlos, por lo que ambos procesos
se engloban generalmente bajo el término ET.
En tanto en cuanto la demanda evaporativa de la atmósfera supere a los
aportes de agua de la precipitación, resulta necesario estimar de forma
fiable el diferencial para garantizar el optimo desarrollo de los cultivos. Este
problema se presenta de forma muy habitual ya que la demanda
evaporativa de la atmósfera es un proceso continuo y por el contrario la
precipitación es escasa y se produce de forma esporádica, lo que origina
períodos de sequía en los que los cultivos deben sobrevivir a costa de las
limitadas reservas de agua almacenadas en el suelo.( estrés hídrico)
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3 RELACIÓN ENTRE EVAPOTRANSPIRACIÓN Y NECESIDADES DE
RIEGO
La ET de los cultivos es el principal componente de las necesidades de
riego y, por ello, es muy importante que la metodología utilizada para la
determinación de la ET sea fiable y que las predicciones se acerquen lo
más posible a la realidad.
4 ROL DE LA ET EN LA PROGRAMACIÓN DE RIEGOS
La ET es un parámetro necesario para una adecuada programación de los
riegos y para establecer las dotaciones y dimensionado de las redes de
riego. La determinación de la ET permite optimizar el agua de riego,
adecuando las cantidades y la frecuencia en relación a las necesidades
reales de las plantas y a las características del suelo.
5 MÉTODO DE CALCULO (ET DE REFERENCIA)
Existen múltiples métodos para la estimación de la evapotranspiración de
referencia (ET0). En la mayoría de los casos la elección de uno u otro
método depende en líneas generales de la naturaleza de la información
disponible (temperatura- humedad). Entre los más empleados destacan:
• Método de Blaney-Criddle.
• Método de radiación.
• Método de la cubeta evaporimétrica.
•Método de Penma
Por motivos de fiabilidad, precisión y resultados contrastados de uso el
método empleado en el prototipo es el de Penma.
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6 PRECIPITACIÓN EFECTIVA Y NECESIDADES HÍDRICAS NETAS DE
LOS CULTIVOS
Técnicamente y desde la perspectiva agronómica podemos decir que
la
precipitación efectiva (PE) es la proporción de lluvia que sirve para
satisfacer las necesidades de consumo de agua del cultivo. La PE depende
de la intensidad de la precipitación, del contenido de humedad del suelo
antes de la lluvia, de la tasa de infiltración del suelo, de la capacidad de
retención de agua en la zona radicular del cultivo y de la evapotranspiración
de éste. Existen numeroso métodos de calculo, uno de los más empleados
por fiabilidad es el método del Soil Conservation Service. Se trata de un
método
empírico
desarrollado
a
partir
de
numerosos
trabajos
experimentales, en el que se calcula la PE mensual a partir de la
precipitación total mensual, de la ETc del cultivo y del déficit de humedad de
agua en el suelo. Este método considera que el límite máximo de la PE
mensual es la ETc mensual del cultivo en el mes considerado.
Normalmente se calcula la PE para cada cultivo, por lo que ésta puede
variar de un cultivo a otro. La ecuación utilizada es:
PE
= precipitación efectiva mensual, mm mes-1.
P
= precipitación total mensual, mm mes-1.
ETc = evapotranspiración de cultivo mensual, mm mes-1.
f(D) = función correctora para un déficit de humedad en el suelo
diferente de 75 mm. Para D = 75 mm, f(D )= 1.
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Esta función correctora se calcula a través de :
donde:
D = déficit de humedad en el suelo, mm.
Como norma general de uso se asume que D = 75 mm es un valor
representativo de condiciones normales de cultivo, excepto en el caso del
arroz, para el que se considera que D = 0 mm, pues en este cultivo se
mantiene un flujo continuo de agua. No obstante, hay que tener en cuenta
que la PE varía en función de condiciones locales de D.
Una vez determinada de forma automática la PE, se calculan las
necesidades hídricas netas (NHn) en función de cultivos. Se calculan como
la diferencia ETc y la PE:
7 CÁLCULO DE LAS NECESIDADES BRUTAS DE RIEGO DE LOS
CULTIVOS
Técnicamente podemos definir la eficiencia de aplicación del riego como la
relación entre el volumen de agua que queda almacenado en la zona
radicular del cultivo y el volumen aplicado a la parcela en riego
(International Committee of Irrigation and Drainage, 1978). El prototipo de
forma automática calcula las necesidades brutas de riego de los cultivos
(NRb) haciendo uso de la expresión siguiente:
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donde:
NRb = necesidades brutas de riego mensuales del cultivo, mm mes-1.
Ea
= eficiencia de aplicación del riego, en tanto por uno.
NHn = necesidades hídricas netas mensuales del cultivo, mm mes-1.
Resulta necesario recordar que por el momento no existe sistema de riego
cuya eficiencia sea del 100%, debido a que todos los sistemas de riego
producen unas pérdidas de agua de riego que son inherentes a la propia
práctica del riego. Los valores de la Ea de los distintos sistemas de riego
dependen de sus propias características y de su manejo.
Un valor bajo de la Ea indica que sólo una parte pequeña del agua aplicada
queda almacenada en la zona radicular del cultivo. Asimismo, un valor bajo
de la uniformidad de distribución del agua de riego indica un reparto
irregular del agua aplicada e implica la utilización de una dosis mayor de
agua de riego para conseguir que una altura mínima de agua se infiltre en
toda la parcela.
En resumen, se puede concluir que la Ea de los sistemas de riego es muy
variable y depende de las propias características del sistema particular y del
manejo del mismo.
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8 GENERACION DE CALENDARIOS DE RIEGO
Estimadas las necesidades hídricas del cultivo ha llegado el momento de
planificar la dosificación de las mismas de manera acorde al ciclo del
cultivo. La planificación del riego se efectúa a tiempo real teniendo en
cuenta los datos del estado hídrico del suelo (sonda humectación),
condiciones climáticas y las estimas de la ETc de ese año específico.
El intervalo puede ser diario, aportando las cantidades previamente
calculadas o en función del perfil del suelo. En este último caso se riega
cada vez que se agota un porcentaje determinado del agua en el suelo
(sonda de humectación). Se suele permitir un agotamiento del 35% de las
reservas hídricas del suelo.
9 EFICIENCIA DEL SISTEMA DE RIEGO
Cada sistema de riego tiene una eficiencia determinada y su elección
dependerá del tipo de suelo y de vegetación. En términos generales, un
sistema de riego por goteo puede llegar a una eficiencia muy alta del 95%,
mientras que por aspersión desciende al 70-80%.
El riego por goteo subterráneo esta proliferando por su mayor eficiencia en
la distribución del agua y reducción de las cantidades de agua aportadas,
eliminando la evaporación del suelo y reduciendo la evaporación
directamente a la atmósfera de los sistemas de aspersión, muy
considerable en zonas de viento. Se calcula que con un sistema de
aspersión o microaspersión de gotas finas se puede llegar a perder hasta
un 20% por evaporación directa a la atmósfera.
10 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CULTIVO
El coeficiente de cultivo (KC) describe las variaciones en la cantidad de
agua que las plantas extraen del suelo a medida que se van desarrollando,
desde la siembra hasta la recolección.
En los cultivos anuales se diferencia cuatro etapas o fases del cultivo:
Fase inicial: desde la siembra hasta un 10% de cobertura del suelo.
Fase de desarrollo: desde el 10% de cobertura y durante el
crecimiento activo de la planta.
Fase media: entre floración
normalmente entre el 70-80%
cada cultivo)
y fructificación (corresponde
de la cobertura máxima de
Fase de maduración: desde madurez hasta recolección
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11 ORGANIGRAMA PARA EL CALCULO DE NECESIDADES HIDRICAS
Y CONTROL A TIEMPO REAL MEDIANTE SENSORES
VALORES
CLIMATICOS
CULTIVO
Fórmulas
Empíricas
Fórmulas
Empíricas
ETo mediante fórmulas
empíricas que utilizan
datos meteorológicos.
Kc = Coeficiente de
cultivo
según ciclo
vegetativo.
Etc = Eto x Kc
EFICIENCIA
SISTEMA DE RIEGO
PRECIPITACIÓN
EFECTIVA
CALCULO
NECESIDADES
HÍDRICAS
NETAS
(NH)
CONTROL DE INDICADORES Y SENSORES
11.1 Simulación de resultados (Cálculo de necesidades hídricas)
Premisas de partida:
-Cultivo: Maíz
-Fecha de la siembra: 1 de Mayo.
-Fecha de la cosecha: 5 de Octubre
-Tipo de riego: Aspersión.
-Eficiencia del riego estimada: 80 %
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-Duración de las fases de cultivo expresados en días ( ciclo vegetativo):
Inicial
30
Desarrollo Intermedia
40
62
Final
25
Total
157
Abreviaturas
Kc
= Coeficiente de cultivo mensual.
ETc = Evapotranspiración de cultivo; mm/mes; representa la cantidad de
agua que necesita un cultivo para su desarrollo óptimo.
PE
= Precipitación efectiva, mm/mes; es la cantidad de agua de lluvia que
permanece en el suelo para satisfacer las necesidades de agua de
un cultivo.
NHn = Necesidades hídricas netas, mm/mes; es la diferencia entre la ETc y
la PE; representa la cantidad de agua que el riego debe aportar al
sistema radicular de un cultivo para satisfacer sus necesidades de
agua.
NRb = Necesidades de riego brutas, mm/mes; es el cociente entre las NHn
y la eficiencia del sistema de riego (expresada en tanto por uno);
representa la cantidad de agua que el riego debe aportar a pie de
parcela, de forma que tras descontar las pérdidas que se produzcan
durante la aplicación del riego, el sistema radicular del cultivo reciba
una cantidad igual a la NHn.
SÍNTESIS DE LA SIMULACIÓN
Mes
ETc
PE
NHn
NRb
Mayo
61
35
26
33
Junio
119
34
85
106
Julio
205
20
185
231
Agosto
187
31
156
195
Septiembre
108
33
75
94
Octubre
Estacional
7
3
3
4
687
156
530
663
Nota: El valor estacional se indica en mm/ciclo de cultivo. Es decir, se
precisan 6630 m3 por hectárea de cultivo.
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ANEXOS
Ecuación de Penman ( determinación de la ETo)
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1.- Fórmula para el cálculo de la ETo:
Monteith (1965) desarrolló un modelo que incluye, en el modelo de
Penman, la resistencia a la superficie de la cubierta vegetal. La ecuación
utilizada por el SIAR para el cálculo de la ETo, revisada y actualizada por R.
G. Allen y L. S. Pereira , es la que se presenta a continuación:
donde:
ETo = evapotranspiración de referencia según la ecuación de FAO PenmanMonteith (mm día-1).
λ = calor latente de vaporización (MJ kg-1).
∆ = pendiente de la curva que relaciona la presión de vapor con la
temperatura del aire (kPa ºC-1).
Rn = radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 día-1).
G = flujo térmico del suelo (MJ m-2 día-1).
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u2 = velocidad de viento (m/s).
Tmed = temperatura media del aire (ºC).
(es – ea) = déficit de presión de vapor (kPa).
γ = constante psicrométrica (kPa ºC -1).
1.1.- La fórmula de λ es:
donde:
T= temperatura media del aire (ºC).
1.2.- La fórmula de ∆ es:
donde:
T= temperatura del aire (ºC).
eo (Tmed. ) = es la presión de vapor en saturación a temperatura del aire,
cuyo valor es 0,6108 exp ((17,27 T)/ (T + 273,3), siendo exp = 2,7183.
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* Nota: Para el cálculo de este parámetro, se toma la temperatura del aire
como a media entre la máxima y la media diaria (T= (Tmáx.+ Tmín.)/2.
1.3.- La fórmula de Rn es :
Rn = Rns - Rnl
donde:
Rns = Radiación neta de onda corta (MJ m-2 día-1).
Rnl = Radiación neta de onda larga (MJ m-2 día-1).
Siendo,
donde:
α = albedo. Su valor se aproxima a 0,23 para el caso en el cual estamos
trabajando.
Rs = Radiación solar global diaria (MJ m-2 día-1). Este dato lo proporciona
la estación agroclimática.
y,
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donde:
σ = constante de Stefan-Boltzmann (4903 10-9 MJ K-4 m-2 día-1).
Tmáx., K = temperatura máxima absoluta del día (K= ºC + 273,16).
Tmín., K = temperatura mínima absoluta del día K= ºC + 273,16).
ea = presión de vapor actual (kPa).
Rs = Radiación solar diaria (MJ m-2 día-1).
Rso = radiación solar para un día sin nubes (MJ m-2 día-1).
1.4.- La fórmula de ea es:
donde:
eo (Tmáx. ) = presión de vapor de saturación a temperatura máxima (kPa),
Siendo eo (Tmáx.) = 0,6108 exp ((17,27 Tmáx.)/ (Tmáx. + 273,3), donde exp =
2,7183.
Hr mín. = humedad relativa mínima diaria (%).
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o
e (Tmín. )= presión de vapor de saturación a temperatura mínima (kPa),
Siendo eo (Tmín. ) = 0,6108 exp ((17,27 Tmín.)/ (Tmín. + 273,3), donde exp =
2,7183.
Hr máx.= humedad relativa máxima diaria (%).
1.5.- La fórmula de Rso es:
z= altura sobre el nivel del mar en que se encuentra la estación (m).
Ra = radiación extraterrestre para periodos diarios (MJ m-2 día-1).
siendo,
donde:
G sc = constante solar (0,0820 MJ m-2 min-1).
dr = inversa de la distancia relativa entre la tierra y el sol. Su valor se
obtiene según la siguiente fórmula:
donde:
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J= día juliano, siendo el nº 1 el uno de enero y 366 ó 365 el 31 de
diciembre según sea el año (bisiesto o no).
? s = ángulo a la hora de la puesta del sol (rad). Su valor se obtiene
según la siguiente fórmula:
donde:
ϕ = latitud en la que se encuentra la estación agroclimática (rad). Si el
valor se expresa en grados sexagesimales hay que multiplicar por p/180
para pasarlos a radianes.
δ = declinación solar (rad). Su valor se obtiene según la siguiente
fórmula:
J= día juliano.
1.6.- La fórmula de G es:
donde:
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cs = capacidad calorífica del suelo (MJ m-3 ºC-1).
Ti = temperatura media del aire del día actual (ºC).
Ti-1 = temperatura media del aire del día anterior (ºC).
?t = longitud del intervalo de tiempo (días), En nuestro caso, al realizar el
cálculo diario el intervalo será de 1 día.
?z = profundidad efectiva del suelo (m).
Debido a la variabilidad que podemos encontrarnos para los parámetros cs
e ?z (según las características fisicoquímicas del suelo), para el cálculo del
flujo térmico en periodos cortos de tiempo se utilizará la ecuación
simplificada:
Ti = temperatura media del aire del día actual (ºC).
Ti-1 = temperatura media del aire del día anterior (ºC).
0,1 = factor de conversión empírico (para transformar a MJ m-2 día -1, que
son las unidades en las que se debe expresar este térmico, en este caso, y
según los criterios con los que se viene trabajando).
1.7.- La fórmula de γ es:
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donde:
C p = calor específico a presión constante (1,013 . 10-3 MJ kg-1 ºC-1).
λ = calor latente de evaporación (MJ kg-1).
e = relación entre el peso molecular del aire húmedo y el aire seco. Su
valor es 0,622.
P = presión atmosférica (kPa). La cual se calcula por la siguiente
expresión:
donde,
P= presión atmosférica (kPa).
z = altura sobre el nivel del mar a la que se encuentra la estación (m).
Con lo que la fórmula para el cálculo de la constante psicrométrica, una vez
tenidos en cuenta los coeficientes anteriores quedaría de la siguiente forma:
U2 = velocidad del viento medida a 2 m de altura (m s-1).
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T = Temperatura media del aire medida a 2 m de altura (ºC).
es = presión de vapor de saturación (kPa).
ea = presión de vapor actual (kPa).
**Nota (es – ea) = déficit de presión de vapor (kPa).
1.8.- La fórmula de es es:
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