Informe tecnico por prototipos · 2010-02-05 · • Cálculo óptimo y continuo de las necesidades...

INFORME TECNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS

OPTIMIZAGUA LIFE03 ENV/E/000164

Versión 09/2004 pagina 1

INFORME TÉCNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS




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




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 Penma-FAO (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.




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.




Foto nº 1 Estrés hídrico en maíz

Foto nº 2 Percolación profunda

Foto nº 3 Escorrentía superficial (arrastre de abonos)




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




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).

• 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.

1.1 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.




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)




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.




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.




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:




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.




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 y fructificación (corresponde normalmente entre el 70-80% de la cobertura máxima de cada cultivo)

Fase de maduración: desde madurez hasta recolección




11 ORGANIGRAMA PARA EL CALCULO DE NECESIDADES HIDRICAS Y CONTROL A TIEMPO REAL MEDIANTE 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 %

VALORES CLIMATICOS

Fórmulas Empíricas

ETo mediante fórmulas empíricas que utilizan datos meteorológicos.

CULTIVO

Fórmulas Empíricas

Kc = Coeficiente de cultivo según ciclo vegetativo.

Etc = Eto x Kc

CALCULO NECESIDADES

HÍDRICAS NETAS (NH)

EFICIENCIA SISTEMA DE RIEGO

PRECIPITACIÓN EFECTIVA

CONTROL DE INDICADORES Y SENSORES




-Duración de las fases de cultivo expresados en días ( ciclo vegetativo):

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

Nota: El valor estacional se indica en mm/ciclo de cultivo. Es decir, se precisan 6630 m3 por hectárea de cultivo.

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 7 3 3 4 Estacional 687 156 530 663

Inicial Desarrollo Intermedia Final Total30 40 62 25 157




ANEXOS

Ecuación de Penman ( determinación de la ETo)




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 Penman-

Monteith (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).




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.




* 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,




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 (%).




eo (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:

Gsc = 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:




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:




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:




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).




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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