AUTOMATIZACIÓN DEL RIEGO BASADA EN BALANCE HÍDRICO CLIMÁTICO Y MEDICIÓN DE HUMEDAD DEL SUELO USANDO TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN

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1 AUTOMATIZACIÓN DEL RIEGO BASADA EN BALANCE HÍDRICO CLIMÁTICO Y MEDICIÓN DE HUMEDAD DEL SUELO USANDO TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN F. MIGUEL AGUILA 1, HELMUT SINN 2 Y SIEGFRIED KLEISINGER 3 Resumen Se desarrolló un sistema para estimar con criterios objetivos las necesidades de riego de los cultivos y realizar la aplicación del agua en forma más eficiente y totalmente automática. El sistema de riego se basa en el balance hídrico climático con una estación meteorológica In Situ para calcular la evapotranspiración de refencia (Penman-Monteith) y en la medición del contenido volumétrico de agua en el suelo con sensores Time Domain Reflectometry, TDR, IMKO. El principio fundamental de funcionamiento de este sistema consiste en la interconección de sensores de humedad de suelo y meteorológicos a un datalogger CR10X en el cual se encuentran algoritmos en un programa residente en su memoria para procesar esta información junto a la del suelo y cultivo. Cuando existe la necesidad de riego el datalogger a través de sus canales de control y relevadores acciona el sistema de distribución del agua hasta que se cubren los requerimientos. El sistema completo es monitoreado online a través de INTERNET u otras Tecnologías de Información y puede visualizarze el estado actual del riego y toda la información del sistema desde cualquier computadora u otros dispositivos que esten en red. Con el programa de riego se pueden llevar a cabo dos estrategias de riego diferentes: 1) Balance hídrico climático con modelos del cultivo (coeficientes de cultivo, profundidad de las raices y factor de abatimiento de humedad permisible y 2) Medición del contenido de agua en el suelo con sensores. Para la puesta a prueba del sistema de riego fue establecido un campo de cultivo al aire libre con calabaza (Cucurbita máxima Duch.) durante un ciclo completo en el cual fue evaluado el funcionamiento del sistema y el consumo de agua y rendimiento para cada una de las estrategias de riego. Los resultados mostrarón que el sistema funcionó correctamente y que la estrategia Balance hídrico climático con modelos del cultivo tuvo menor consumo de agua y mayor rendimiento. Palabras clave: Automatización de riego, Tecnologías de Información, Balance hídrico, Medición de humedad, Calabaza. Abstract The aim of this research was the development of a fully automated irrigation-control system for demandadapted irrigation scheduling in order to increase water use efficiency. The developed irrigation control system is based on both, the climatic water balance and soil moisture measurements. The basic concept of this computer driven system is the linkage of plant, soil and weather algorithms to determine the crop water requirement, as well as the integration of the use of physiological sensors in different irrigation strategies. The system consists of a weather station with integrated datalogger for measuring and recording of climate parameters (solar radiation, air temperature, relative humidity, wind speed and precipitation) including a online monitoring by Internet or other Information Technology (IT), a system for direct measurement of soil moisture (Time Domain Reflectometry sensors, TDR) and an automatic control for the sprinkler equipment. 1 Hidrociencias, Colegio de Postgraduados, Montecillo, Edo. de Méx., México. fmaguila@uni-hohenheim.de 2 Institut für Agrartechnik, Universität Hohenheim, Stuttgart, Alemania. sinnh440@uni-hohenheim.de 3 Institut für Agrartechnik, Universität Hohenheim, Stuttgart, Alemania. kleising@uni-hohenheim.de

2 Two different irrigation strategies can be established and operated with the irrigation control system: 1) based on the climatic water balance with plant models into consideration (crop coefficient, rooting depth and water stress indicator); and 2) based solely on direct soil moisture measurements from three TDR sensors. To comprehensively test and monitor the system's performance (hardware, software and integrated plant and soil parameters) a field experiment was carried out. Pumpkin (Cucurbita maxima Duch.) was selected as a sample vegetable crop. Water consumption and yield served as practicerelevant evaluation criteria in order to identify the most water saving strategy. As a result of the experiments the climatic water balance showed the highest water-use efficiency. Testing of the developed irrigation control program code clearly showed its faultless and reliable functioning under field conditions. Key words: Automated irrigation, Information Technology (IT), climatic water balance, soil moisture measurements, pumpkin. Introducción Una creciente problemática hídrica se esta presentando cada día en mas regiones del mundo. El agua se esta convirtiendo en un recurso escaso y costoso. En vista de esta escasez corresponde a la agricultura el mayor consumidor de agua- tomar medidas para hacer un uso mas eficiente del agua. Generalmente en la agricultura se tienen altos consumos generados por la sobreirrigación, lo cual no sólo genera un desperdicio de agua, sino que también, debido a los agroquímicos disueltos, provoca la contaminación de corrientes de agua superficiales y subterraneas (IMTA, 1995) y en algunas zonas el ensalitramiento de los suelos. Un conocimiento de las necesidades de agua de los cultivos no solo permite un mejor desarrollo para lograr una mayor producción y mejor calidad sino que contribuye también a ahorrar considerables volumenes de agua (IMTA, 1995b). A través del tiempo se han desarrollado una gran cantidad de sistemas para la determinación, control y automatización del riego que permiten un consumo de agua mas reducido, sin embargo, hasta ahora ninguno de estos sistemas ha encontrado en la práctica una aceptación considerable. Las razones principalmente se deben a la alta demanda de tiempo, trabajo y capacitación para operar y alimentar de datos e información estos sistemas (Aguila, 2003). Otra razón radica también en que no se tiene suficiente conocimiento sobre los efectos que estos sistemas tienen sobre el consumo de agua y los rendimientos de los cultivos, así como los costos de un sistema de control de riego de este tipo (Aguila, 1997). En el marco de un proyecto de investigación de doctorado ( ) se desarrollo en la Universidad de Hohenheim, Alemania un sistema de determinación y automatización de riego, con la finalidad de incrementer la eficiencia en el uso de agua. El sistema fue concebido baja las premisas: mejor presición en las mediciones, completamente automático para facilitar la operación y uso, y relativamente bajos costos de instalación y operación. El sistema se basa en el balance hídrico y en la medición del contenido volumétrico de agua en el suelo. Estos metodos permiten determinar con criterios objetivos cuando y con cuanta agua deben ser abastecidos por medio del riego los cultivos establecidos. Mediante el empleo de modernos equipos electrónicos de medición y procesamiento de datos es posible desarrollar un sistema complejo que comprenda conjuntamente las relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmosfera para lograr mantener en el suelo un nivel óptimo de contenido de agua. La potenciabilidad de ahorro de agua se concentra principalmente en las posibilidades de reducción de aplicación de agua durante las etapas fisiológicas menos sensibles al stress de agua y en la consideración para el riego exclusivamente del área de las raices, así como de la disposición de dispositivos de control y equipos de aplicación mejorados para lograr una buena distribución de las láminas calculadas.

3 El sistema de riego se compone de una estación meteorológica automatizada con datalogger integrado y sensores para medir la temperatura, radiación solar grobal, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación. Se desarrollo un programa de riego que se encuentra residente en la memoría del dataloger y mediante el cual, entre muchos otros cálculos, se estima la evapotranspiración de referencia (Penman-Monteith) con base en las variables meteorológicas medidas. Además al mismo dataloger se encuentran conectados tres sensores Time Domain Refrectometry para medir directamente el contenido volumétrico de agua en el suelo y un controlador con relevadores para la automatizacion del equipo de microaspersores conectados. Para el desarrollo del software se consideraron dos estrategias de riego independientes estre si. Una estrategía con base en el criterio de la medición del contenido de agua en suelo comparado con un valor umbral de humedad inferior y otro superior y la otra en base en el balance hídrico climático, considerando modelos con valores dinámicos horarios de coeficiente de cultivo, profundidad de raiz y factor de abatimiento de humedad permisible en función de la etapa fenologica. Para tener un aproximación más acorde a la realidad se generaron para estos modelos curvas a partir de funciones polinómicas. Debido a la toma de datos separada con que se alimenta el programa de riego desarrollado se garantiza que el sistema desarrollado puede ser empleado bajo condiciones muy diversas de clima, suelos y cultivos. El sistema de automatización de riego puede funcionar por si mismo con base en su datalogger, independientemente que se disponga una computadora conectada. El sistema puede ser monitoreado o controlado en linea a través de Internet o con otra Tecnología de Información desde cualquier lugar que se disponga de un dispositivo en red. Durante el proceso de prueba del sistema se monitorearón los estados de todas las variables que intervienen en el programa de riego. Materiales y métodos Los experimentos para la aplicación y puesta a prueba del sistema de automatización de riego desarrollado se realizarón en la estación experimental para jardinería de la Universidad de Hohenheim, Alemania la cual se ubica a una Latitud Norte, una longitud de 9 13 Este y una altitud de 396 msnm. La precipitación media anual es de 697 mm, el suelo tiene una textura con 23.6 % de contenido de arcilla, 4.7 % de arena y 71.7 % de limo, con 2.57 % de materia orgánica y una densidad aparente de 1.35 g/cm³. La capacidad de campo es de Vol.-%, el punto de marchitez permanente de Vol.-% y una humedad aprovechable resultante de Vol.-%. Para llevar a cabo los experimentos, durante el tiempo comprendido entre el 12 de junio y 9 de octubre de 2001, se estableció un campo de cultivo con calabaza Uchiki Kuri, tipo Hokkaido (Cucurbita máxima Duch.) Para cada una de las estrategias de riego en estudio se consideraron 4 parcelas (repeticiones) experimentales de 66 m² cada una (1.5 x 22m) con una desidad de siembra de 0.44 plantas x m².

4 Anemometro Termometro y Termistor, humedad relativa Piranometro Pluviometro Panel solar Dataloger con programa de riego Microaspersores Sensores TDR Modulo de registro de los TDRS Control de valvulas magnetica Fig. 1. Componentes de hardware del sistema de automatización de riego en el campo experimental Los componentes de hardware del sistema comprenden una estación agrometeorológica con un dataloger completamente programable modelo CR10X marca Campbell Scientific, un panel solar con bateria para el suministro de energía eléctrica, un juego de Modems para el monitoreo online y la transferencia de datos con una computadora central (servidor). Para la medición del contenido volumétrico de agua en el suelo se conectaron al dataloger tres sensores Time Domain Reflectometry, TDR modelo TRIME-MUX6 marca IMKO, asi como una caja de control con relevadores para activar o desactivar las válvulas magnéticas del riego (Figura 1). Los riegos se realizaron empleando microaspersores tipo Supernet SR70 (Netafim), los cuales disponen de una boquilla giratoria de 1.73 mm que asperja el agua con un radio de 2.5 m. Estos microaspersores tienen compensación a las variaciones de presión lo que permite una uniformidad de riego con las caidas y aumentos de presión para que todas las plantas reciban la misma cantidad de agua. La presión de operación se establecio entre 3 y 4 bars teniéndose con esto un gasto por aspersor de 70 l/h. Los aspersores fueron colocados a 3.65 m de distancia ya que con esta separación se encontro el mejor coeficiente de distribución aplicandose una lamina de 5 mm/h. El sistema de riego fue concevido de tal manera que este funcionara mediante la interconección de sensores de humedad de suelo y meteorológicos a un datalogger CR10X (Figura 2) en el cual se encuentra el programa de riego residente en su memoria.

5 Medición 35 Vol.% de la humedad del suelo? 39 Vol.% (FC) si Data loger Pérdida de agua? Reserva Inicio del riego Fin del riego FC PMP 1,2 0,9 0,6 0,3 0,0 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Medición In situ de la radiación solar, temperatura, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación Evapotranspiración de referencia ETo (Penman-Monteith) m Kc-W erte; Kürbis Vegetationszeit [h] Pflanzenwasser-Stressindikator, Kürbis Vegetationszeit [h] W urzeltiefe, Kürbis Vegetationszeit [h] Balance hídrico a la profundidad de las raíces Cálculo horario de la evapotranspiración de referencia Estimación de la evapotranspiración del cultivo (ETr) empleando una curva de valores Kc Se evita el stress en las etapas fenológicas sensibles, y en las no sensibles se ahorra agua a través del factor de abatimiento permisible. Se considera el volumen de suelo del área de las raíces Cálculo del deficit de humedad a partir de la evapotranspiración real del cultivo y de la precipitación efectiva Fig. 2. Esquema de funcionamiento. Los componentes de software del sistema de automatización del riego se conforman por el programa de riego el cual fue elaborado en Edlog que es el principal lenguaje de programación utilizado en los equipos Campbell Scientific y es un modulo del software PC208W con el cual se maneja el dataloger CR10X. En el programa se tienen diversos algoritmos para procesar la información meteorológica junto con la del suelo y cultivo (Figura 3). Cuando existe la necesidad de riego el datalogger a través de sus canales de control y relevadores acciona el sistema de distribución del agua hasta que se cubren los requerimientos.

6 Estrategia de riego 1 Estrategia de riego 2 Otras estrategias de riego Medición del clima In situ, sensores meteorológicos Medición de la humedad del suelo In situ, sensores TDR Sistema de captación y procesamiento, Hardware y Software (Dataloger) Microaspersores Riego por goteo Medición de la humedad del suelo con otros métodos: tensiómetros, bloques de yeso, etc Potencial Fig. 3. Componentes del sistema de riego. El programa de riego en el lenguaje de programación Edlog de Campbell Scientific fue elaborado modularmente en diversas subrutinas tal como se presenta en la Figura 4. Programa principal o controlador -Registro de las variables medidas y valores calculados -Control de las válvulas magnéticas -Medición de la humedad del suelo Subrutina 1 Subrutina 2 Subrutina 3 Subrutina 4 Cálculo horario de la evapotranspiración de referencia Cálculo de los valores Kc, profundidad de la raíz y factor de abatimiento Cálculo de la precipitación efectiva Cálculo de FC, PMP, HFA y balance hídrico Estrategias de riego Fig. 4. Estructura y algoritmos del programa de riego. Balance hídrico climático con modelos del cultivo: Los parametros considerados en esta estrategia de riego son el coeficientes de cultivo Kc, profundidad de las raices y factor de abatimiento de humedad permisible. Para la realización de esta estrategia es necesaria una combinación de datos meteorológicos y específicos referentes a las características del cultivo y suelo. La determinación del momento de riego esta basado en: a) Cálculo horario de la Evapotranspiración de referencia ETo según Penman-Monteith a partir de los datos. In Situ de radiación solar, temperatura, humedad relativa y velocidad del viento medidos con la estación meteorológica.

7 b) Cálculo de los valores de coeficiente de cultivo Kc a partir de las curvas generadas para la estimación de la Evapotranspiración del cultivo y realizar el balance hídrico considerando la profundidad actual de las raices y el factor de abatimiento de humedad permisible tambien a partir de curvas (Figura 2). c) Medición de la precipitación y estimación de la precipitación efectiva. Como condición adicional para el inicio de riego en ambas estrategias se determinó que este podía comenzar solo dentro del horario de las 0:00 a las 5:00 hrs. Ya que en este horario la velocidad del viento era más baja y no se tenia efecto considerable sobre la distribución en la aplicación del riego con los microaspersores. En la Figura 5 se encuentra una descripción detallada de los cálculos realizados en cada estrategía de riego. Estrategia 1: Balance hídrico climático con modelo de planta Estrategia 2: Medición directa de la humedad de suelo Estimación horaria de la Evapotranspiración de referencia ETo ( Penman-Monteith) Una curva de Kc es utilizada para calcular la ET del cultivo ETc = Kc x ETo Medición horaria de la humedad del suelo con 3 sensores de control TDR a 30, 60 y 90 cm de la planta a una profundidad de 16 cm La precipitación efectiva en es estimada ETceN = ETc - en Humedad aprovechable nfk = FC - PMP El riego inicia con la humedad (<=) 35 Vol. % Y la hora es: 0:00-5:00 am. La profundidad de la raíces We es considerada para calcular la cantidad de agua disponible TAWak.=nFKxWe El riego termina cuando se alcanza la capacidad de campo del suelo, FC (hum. >= 39,1 Vol.%) Una curva de factor de abatimiento permisible Fns es considerada RAWak.= Fns x TAWak. El riego inicia cuando la ETc acumulada ETceN >= RAWak. y la hora es: 0:00-5:00 am. Cantidad de riego=etcen acum Fig. 5. Cálculos realizados en las estrategias de riego

8 Medición del contenido de agua en el suelo con sensores: Esta estrategia se basa en la comparación horaria del contenido volumétrico de agua actual en el suelo medido con los sensores TDR y dos valores umbrales de humedad predefinidos. Como valor inferior para iniciar el riego se determinó un contenido volumétrico de agua de 35%, el cual corresponde al 80% de la humedad aprovechable para este suelo. Cuando el valor promedio de la lectura de los tres TDR s alcanzaba la capacidad de campo (39.12 Vol.-%) el dataloger enviava una señal a la caja de control de las válvulas magnéticas para apagar el riego. Resultados y discusión Con cada estrategia de riego, independientes entre si, se obtuvieron diferentes láminas de riego aplicadas. Para la estrategia Balance hídrico climático con modelos del cultivo fue necesaria la aplicación de una lámina de mm repartida en siete riegos. La estrategia Medición del contenido de agua en el suelo con sensores TDR requirió más agua, una lámina de 383 mm repartidos en 26 riegos. Se considera que esta gran diferencia se debe a que con los sensores TDR empleados se medía solamente una capa de suelo muy superficial (16cm) la cual se secaba rapidamente y esto provocaba riegos muy frecuentes. La medicion de la humedad del suelo usando sensores que posibilitan medir todo el perfil donde se encuentran las raices del cultivo ayudaría a realizar riegos más adecuados. Se tuvierón cinco fechas de cosecha comprendidas entre el 14 de agosto y 9 de octubre en las cuales fueron medidos para cada una de las estrategias de riego el rendimiento en kg/m² y la cantidad de frutos por m² y con esto poder calcular el peso promedio por fruto (kg/fruto). Los valores obtenidos para cada una de las estrategias de riego y sus repeticiones se muestran en la tabla 1. Estrategia/ Repetición Tabla 1. Consumos de agua y rendimientos para cada una de las estrtegias de riego. Rendimiento [kg m -2 ] Frutos/m 2 Peso del fruto [kg/fruto] Riegos Agua aplicada [l m -2 ] Productividad del agua [kg m -3 ] 1/1 2,47 2,35 1, ,4 16,64 1/2 2,02 2,05 0, ,4 13,61 1/3 2,89 2,44 1, ,4 19,47 1/4 3,74 2,76 1, ,4 25,20 Promedio 2,78 2,40 1, ,4 18,73 2/1 2,27 2,20 1, ,0 5,93 2/2 1,94 1,94 1, ,0 5,07 2/3 2,64 2,14 1, ,0 6,89 2/4 2,81 2,40 1, ,0 7,34 Promedio 2,42 2,17 1, ,0 6,32 Tal como se puede apreciar en la Tabla 1 el rendimiento y la cantidad de frutos resultarón ser inversamente proporcional al consumo de agua, es decir, para la estrategia con medicion de humedad de suelo se obtuvierón 2.42 kg/m² o 2.17 frutos/m². Un mejor rendimiento y mayor cantidad de frutos se obtuvo con la estrategia de balance hídrico con modelos de cultivo, 2.78kg/m² o 2.4 frutos/m² y con esto mejores resultados conduciendo a una más alta eficiencia en el uso del agua.

9 Se encontrarón también claras diferencias en la productividad del agua, en este aspecto la estrategia con modelo de planta entrego similarmente los mejores resultados con kg de fruto por m³ de agua aplicada y asi una más alta productividad. El valor para la estrategia basada en la medición de humedad fue sólo de 6.32 kg/m³. Dicho de otra forma, la estrategia de balance hídrico con modelo de cultivo ofreció una mayor eficiencia en el uso del agua con 53.4 litros de agua usados por kg de fruto pruducido. Por el contrario la determinación del riego basada en la medición de humedad con sensores condujo no sólo a un más bajo rendimiento sino también con l/kg a una más baja eficiencia en el uso del agua. Conclusiones Con la construcción modular de un sistema de riego automático se permite la determinación de la aplicación de agua con criterios objetivos siguiendo una estrategia especifica. De acuerdo a la estrategia de riego que se siga puede verse afectada la eficiencia en el uso del agua y los rendimientos (peso y cantidad de frutos) que se obtengan, tal como se observo para el caso del cultivo de calabaza. Se puede también concluir con los resultados obtenidos que para mejorar un sistema que determine el riego es necesario, y tiene mucho sentido la integración al sistema de valores meteorológicos medidos In Situ, parametros especificos del suelo y modelos de desarrollo del cultivo. Un riego óptimo del cultivo permite por un lado un crecimiento óptimo y por otro lado un considerable ahorro de agua. Con la puesta a prueba del sistema de riego completamente automático y los resultados arrojados se pudo constatar que este funcionó correcta y confiablemente, y debido a su construcción modular para la alimentación y proceso separado de los parametros de clima, suelo y cultivo se garantiza que el sistema desarrollado puede ser aplicado bajo diversos cultivos suelos y condiciones climáticas. La posibilidad de monitorear el sistema en linea a través de Internet o con otra Tecnología de Información desde cualquier lugar que se disponga de un dispositivo en red y en cualquier momento, permite un mayor control y tomar medidas correctivas en caso que se presentara alguna eventualidad. Ya que el sistema se puede monitorear remotamente se ahorra tiempo y costos de traslado cuando se evita en ocasiones desplazarse al lugar donde se encuentra el cultivo bajo riego. Literatura citada IMTA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje, Projecto RD Pronóstico de Riego en Tiempo Real IMTA,1995b. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje, Projecto RD Diagnóstico de la Salinidad en el Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo, Sinaloa Aguila, F. M., Alternativa Tecnológica y Organizacional para Mejorar la Eficiencia en el Uso del Agua en la Agricultura. Pronóstico de Riego en Tiempo Real, Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo, Sinaloa. Tesis de maestria, Colegio de Postgraduados. Montecillo, México Aguila, F. M., Entwicklung eines vollautomatischen Bewässerungsregelungssystems für den Freilandgemüsebau. Editorial Verlag Grauer, Beuren - Stuttgart, Alemania. ISBN