I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje

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1 Artículo: COMEII I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre DISEÑO DEL RIEGO PRESURIZADO ASISTIDO POR COMPUTADORA Jorge Flores Velázquez 1 ; Waldo Ojeda Bustamante 1 ; Mauro Iñiguez Covarrubias 1 1 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, C.P , Jiutepec, Morelos. Resumen El sector agrícola es uno de los principales consumidores de recursos. Para obtener cosechas, los cultivos necesitan grandes cantidades de agua. Los sistemas de riego permiten optimizar el uso del agua y el incremento en el rendimiento. Con la evolución de la tecnología también el diseño ha cambiado. Como ejemplo para el diseño hidráulico, los programas comerciales permiten realizar el cálculo preciso y ágil. El diseño hidráulico implica el cálculo de fórmulas y parámetros predefinidos. Cuando el diseño se realiza manualmente existe el riesgo de cometer errores y afectar el resultado técnico. En el mercado existen programas para el diseño de sistemas de riego, útiles para los ingenieros en riego, IRRICAD, WCADI, IrrigaCAD, GESTAR, IrriPro, entre otros. En el presente trabajo se realizó una evaluación de tres programas comerciales de diseño de riego a partir de un proyecto base. Se adecuaron los parámetros de la norma ISO/IEC para calidad de software. Los programas que se utilizaron fueron IRRICAD, IrrigaCAD y WCADI. Durante el diseño de los sistemas de riego se identificaron las funciones de los programas en tres grupos: entrada, proceso y salida. Se identificaron sus etapas críticas de uso. Se comprobó que IRRICAD, IrrigaCAD y WCADI cuentan con las herramientas necesarias para realizar el diseño de sistemas de riego aunado que para diseñar sistemas de riego presurizados por medio de los programas evaluados, el usuario debe contar con los conocimientos básicos de ingeniería de riego. Palabras clave: Programa de riego, IRRICAD, WCADI, IrrigaCAD, norma ISO/IEC

2 Introducción La práctica del riego por goteo se origina en la década de los 40 en Inglaterra, pero no fue hasta los años 60 que al involucrarse el plástico polietileno el riego por goteo se desarrolla como una tecnología comercialmente aplicable. El desarrollo y crecimiento de los sistemas de riego localizado se da ante la necesidad de asegurar la disponibilidad de agua y elementos nutritivos para la planta. La microirrigación permite la aplicación de agua directamente en la zona de la raíz en cantidades que se aproximan al requerimiento hídrico de las plantas para cubrir sus necesidades. A través del manejo y aplicación precisa de los sistemas de microirrigación el volumen de humedad en la zona de la raíz puede mantenerse cerca de la capacidad del campo a lo largo del ciclo de cultivo. Esto permite mantener un nivel de agua y aire óptimo para el crecimiento de la planta. A través de los sistemas de fertirrigación, pueden controlarse los niveles nutrientes que son aplicados con el agua. Las plantas pueden recibir la cantidad exacta de fertilizante requerido en un momento dado. Al colocar los fertilizantes en la zona de la raíz se presenta una reducción de uso de fertilizante con relación al total aplicado por otras formas. Hay una ventaja de la aplicación frecuente de fertilizante, cuando se lava fuera de la raíz, este puede reemplazarse fácilmente a través del sistema de fertirrigación. El uso de sistemas de fertirrigación proporciona una buena distribución de nutrientes a lo largo del ciclo de cultivo, y disminuye la contaminación de los mantos freáticos ya que no son lixiviadas altas concentraciones de químicos que ordinariamente originan otras formas de irrigación superficial. El mayor uso del agua en México es agrícola. La superficie en unidades agrícolas de producción fue de 30.2 Mha, de las cuales 18% era de riego y el resto tenía régimen de temporal. La superficie sembrada anualmente (considerando el año agrícola y los cultivos perennes, en régimen de riego y temporal) ha variado entre 21.8 y 22.1 Mha durante el periodo México ocupa el sexto lugar mundial en términos de superficie con infraestructura de riego con 6.5 Mha, de las cuales el 54% corresponde a 85 distritos de riego, y el restante a más de unidades de riego (CONAGUA, 2013). La mayor parte de agua en la agricultura se pierde en procesos inherentes (evaporación, conducción, infiltración, etc.) a la producción de cultivos, debido a la baja eficiencia con que el agua es manejada. El uso de tecnologías de riego permite optimizar el agua disponible para las plantas, reducir los costos de producción para ser más competitivo en el mercado y disminuir la contaminación y el deterioro al medio ambiente. 2

3 En México, el uso de los sistemas de riego presurizados ha traído un incremento en la producción y uso eficiente del agua. En consecuencia, el diseño y funcionamiento de estos sistemas tiene una importante función en la producción de los cultivos. (Buendía et al., 2004). Hablar de que un sistema de riego presurizado está operando con alta eficiencia significa que se cumple con las siguientes características: El Diseño del sistema de riego en forma correcta, esto es, que pueda satisfacer la demanda del cultivo durante la época de máxima demanda evapotranspirativa, con la uniformidad prevista y consecuentemente una eficiencia total superior al 95%. Construir el sistema con materiales de buena calidad. Operar el sistema de riego a la presión especificada en el diseño con objeto de que el emisor opere en forma óptima. Operar el sistema de riego atendiendo el calendario de riego para satisfacer las necesidades hídricas del cultivo en cada etapa fisiológica. El perfeccionamiento del riego obliga a asimilar las nuevas tecnologías para el diseño y la construcción de los sistemas, mejorar la eficiencia de utilización del agua y la energía, permitir una adecuada mecanización y automatización de la aplicación del agua y demás labores agrícolas, utilizar racionalmente los recursos hídricos de modo que garanticen su propia existencia y la del medioambiente (Arviza et al., 1995). Hablar del diseño del sistema de riego, se refiere a la selección del conjunto de dispositivos necesarios para que el sistema funcione como un todo para llevar el agua a la planta de manera racionada; Lograr que un diseño de riego sea eficiente, significa que independientemente de las dimensiones del sistema, de las condiciones topográficas y del tipo de cultivo, se garantice una diferencia en caudal del 10 % entre los emisores más distantes y consecuentemente, la variación de presión no mayor al 21 % en estos mismos emisores. Así mismo para mantener esa eficiencia es necesario la operación razonada del mismo atendiendo los requerimientos de las plantas, del clima y del sistema mismo. Con el uso del sistema es común que existan rupturas, taponamientos, variaciones de electricidad, etc. que obligan a una evaluación constante de su funcionamiento, hidráulico, constructivo, etc. Las características topológicas del sistema, pueden ser definiditas atendiendo los principios de la mecánica de fluidos, y específicamente la hidráulica de sistemas cerrados como tuberías en el caso del riego presurizado. Cuando el diseño se realiza manualmente existe el riesgo de cometer errores y afectar el resultado técnico. Con el desarrollo de la informática, la hidráulica de los sistemas de tuberías se vio beneficiada al usar 3

4 herramientas numéricas y computacionales para la solución de las tareas planteadas (Rivera, 2012). La tecnificación de la agricultura utilizando métodos de riego presurizados como los de aspersión y localizados tiene un alto impacto en el uso eficiente del agua. En México la distribución de los métodos de riegos a presión, según estimaciones del IMTA (2010), son del 57.6% en aspersión, 32.4% en goteo, 8.5% en microaspersión y el restante 1.6% borboteadores. Con la expansión del plástico, la susceptibilidad de la agricultura de temporal ante sequias o inundaciones, entre otras razones, originaron el desarrollo de programas comerciales para el diseño de sistema de riego presurizado. Actualmente existen diversos programas para el diseño de sistemas de riego, útiles para los ingenieros en riego. Algunos se han desarrollado en conjunto ingenieros en riego y programadores para desarrollar programas especializados para el diseño de riego presurizado. Existen también programas que trabajan de manera autónoma y los que se auxilian de plataformas de edición de planos. En general se revisaron, el IrriPro, Gestar, Chiripa, Taloc, IrriCad, WCadi y el Irriga Cad. En el presente trabajo se evaluó el desempeño de tres programas comérciales para el diseño de riego presurizado: IRRICAD, WCADI e IrrigaCAD a partir de parámetros de tipo normativos, de diseño, informáticos entre otros con el fin de establecer una metodología para la selección oportuna de un programa computacional específico para diseño de riego localizado con fines agrícolas. Materiales y métodos Existen en el mercado diversos programas que auxilian en mayor o menor grado el diseño del riego localizado. Cuando se habla de mayor grado, la interface permite el diseño completo, desde el trazo del riego, los diámetros de las tuberías y la ubicación de las válvulas para seccionamiento del riego. Existen también los que apoyan en el diseño de una parte de ellos, por ejemplo en el sistema de conducción, o en el cálculo parcial de las presiones. Para este caso específico se seleccionaron programas que realizan el diseño completo. Desde la topografía, el diseño, y los catálogos de materiales. Para evaluar la factibilidad del uso de estos programas, se realizó el diseño de un sistema de riego por goteo mediante los tres programas computacionales mencionados, a partir de un diseño tipo. Se utilizaron los datos del Cuadro 1que muestra los parámetros del diseño agronómico. 4

5 Cuadro 1. Parámetros del diseño agronómico. Parámetros Requerimiento de riego 5 mm/día Superficie total 49.6 ha Gasto del emisor 1.26 l/h Separación de goteros 30 cm Separación de laterales 1 m Lamina aplicada 4.2 mm/h Tiempo de riego 14.4 horas Secciones de riego 12 Eficiencia global del sistema 93.3 % Caudal disponible 50 l/s Tiempo de riego por sección 1.17 horas La FFigura 1 presenta las principales características del diseño del riego, con sus seccionamiento. Figura 1. Características climatológicas 5

6 Evaluación del desempeño de los programas comerciales para el diseño de riego Los criterios para evaluar los programas de cómputo para diseñar sistemas de riego se definieron en base a la norma ISO/IEC 9126 emitida por la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Comisión Electrónica Internacional (IEC), dicha norma define los estándares para evaluar software en base a la calidad de un programa mediante el uso de criterios tales como: 1. Funcionalidad 2. Fiabilidad 3. Usabilidad 4. Eficiencia 5. Capacidad de mantenimiento 6. Portabilidad Estos criterios son parte de la evaluación interna y externa que se realizó de los programas, además de cuatro criterios basados en el uso y la experiencia del usuario. Resultados Se evaluaron los criterios propuestos por la norma, y en este apartado se mencionan los principales resultados, de acuerdo al criterio del diseñador. En cuanto al parámetro de funcionabilidad, éste se divide en cuatro criterios: Adecuación: los tres programas de cómputo presentan cinco funciones en común para diseñar diversos tipos de sistemas de riego, siendo IRRICAD el que domina este índice al presentar la función supresión de polvo, que consiste en controlar las partículas fugitivas del manejo de materiales a granel, diseño de sistema eléctrico y riego residencial como parte complementaria al diseño. Exactitud: para el cálculo de la eficiencia de uniformidad IRRICAD utiliza las ecuaciones de Christiansen, definición estadística y cuarto mínimo. WCADI utiliza la definición estadística, el cuarto mínimo y método de regresión lineal. Para el diseño de la red principal, secundaria y laterales de riego el cálculo de las pérdidas de carga debido a la fricción, los programas IRRICAD y WCADI, utilizan Hazen Williams y Darcy Weisbach, según sea la elección del usuario. IrrigaCAD utiliza las fórmulas de Hazen Williams y Manning Interoperabilidad: el programa IRRICAD y WCADI son autónomos en su proceso de diseño debido a que cuentan con una plataforma gráfica propia, mientras que IrrigaCAD se auxilia de la plataforma gráfica de los programas AUTOCAD Civil 3D y EPANET. 6

7 La fiabilidad está definida por: Madurez: el programa IrrigaCAD presentó mayor deficiencia y errores en el desarrollo del proyecto. Un problema es que no cuenta con un proceso de instalación fiable y seguro, además al depender de una plataforma grafica externa no tiene ningún control si ésta presenta fallos. Tolerancia a errores: los programas IRRICAD y WCADI informan los posibles errores que comete el usuario durante el proceso de diseño, herramienta con la cual no cuenta IrrigaCAD. Recuperabilidad: WCADI cuenta con una herramienta de autoguardado en tiempo real, que en caso de fallo no se pierde la información de trabajo. Si AutoCAD no presenta problemas o fallas, el programa IrrigaCAD puede colapsar sin afectar el proyecto en el que se está trabajando. La eficiencia de los programas se evaluó de acuerdo con: Comportamiento de tiempos: IRRICAD tiene mayor velocidad de respuesta en los procesos de diseño, comparado con IrrigaCAD y WCADI. Utilización de recursos: Los programas IRRICAD Y WCADI requieren menos recursos para su funcionamiento, comparado con IrrigaCAD que se auxilia de una plataforma de CAD. Eficiencia según tiempo, recursos y resultados obtenidos: el programa WCADI presenta menor costo comercial comparado con IRRICAD e IrrigaCAD, para el proyecto tipo se requirió menos tiempo de diseño con el programa IRRICAD y los resultados obtenidos en el diseño del proyecto presentan variaciones en las dimensiones de la red, el resultado obtenido con el programa WCADI presento menor costo del material total del proyecto Dentro del parámetro de portabilidad se evaluaron los criterios de: Adaptabilidad: IRRICAD es el único programa que tiene la herramienta para operar desde red, utilizando solo una llave física. Facilidad de instalación: WCADI comparado con IRRICAD e IrrigaCAD presento mayor facilidad de instalación, al contar con una herramienta de ejecución automática, que es la encargada de todo el proceso; caso contrario a IrrigaCAD que parte de su instalación se hace manual, lo que da lugar a que se cometan errores y no tenga un funcionamiento correcto. Coexistencia: el sistema operativo Windows puede generar errores al momento de instalar IRRICAD y WCADI, por lo que es necesario desactivar la protección de cuentas de usuario, IRRICAD presento conflictos al momento de generación de archivos de informes con el sistema de seguridad instalado (antivirus). La calidad de uso se evaluó de acuerdo a tres criterios: Efectividad: El estándar de calidad para los sistemas de riego en México los define la norma NMX SCFI-2002; los tres programas se pueden adecuar a los lineamientos de ésta. 7

8 Productividad: como se mencionó en los resultados de la evaluación interna y externa, el programa que demostró menor tiempo de diseño y de aprendizaje fue IRRICAD. Seguridad: operar los programas no representa ningún riesgo para los usuarios, sin embargo el usuario debe estar capacitado en el proceso de diseño de sistemas de riego, para no generar proyecto deficientes que originen errores en su ejecución, IRRICAD emite alertas al usuario cuando el diseño rebasa los parámetros permisibles. Durante el diseño de los sistemas de riego se agruparon las funciones de los programas como se muestra en el siguiente diagrama, se identificaron sus etapas críticas para el diseño. Entrada Proceso Salida Topografía Seccionamiento Base de datos (materiales) Datos técnicos del proyecto (ubicación, datos de cultivo, unidades, etc.) Trazo y diseño de laterales de riego Trazo y diseño de tubería secundaria Trazo y diseño de tubería principal Planos Material del proyecto Informe hidráulico Entrada Para comenzar un proyecto en los tres programas comerciales es necesario disponer del diseño agronómico. Los elementos que definan bloques de riego o parcelas a ingresar en un proyecto deben ser polígonos cerrados. Al ingresar la topografía en el programa WCADI, ésta debe abarcar el área total del proyecto, de lo contrario el programa no es capaz de interpolar las elevaciones y no permite realizar el diseño. Proceso El programa IrrigaCAD no permite diseñar tubería secundaria en pendientes positivas. Los laterales no pueden ser paralelos a los lados del bloque de riego, ya que el programa genera un error y no realiza los cálculos correspondientes. 8

9 En los programas IRRICAD y WCADI al crear los bloques de riego de manera automática, si el terreno presenta irregularidades para el trazado indicado por el usuario, éste deberá ser de manera manual debido a que no conectara las líneas laterales. Cuando se disponga de una fuente de agua preestablecida es preciso definir los turnos de riego en función de la disponibilidad de ésta. Para los tres programas durante el trazo de la red principal se debe ubicar de manera manual los nodos o bifurcaciones de apoyo. Salida Finalizado un proyecto es básico analizar en los informes que el funcionamiento de flujos de agua y presiones en todas las tuberías del sistema se encuentren dentro de los rangos óptimos definidos por el usuario. Conclusiones Se hizo una parametrización de criterios para la evaluación de programas comerciales para el diseño de riego presurizado; históricamente los criterios para definir un buen diseño han sido relacionados con una uniformidad de riego que a su vez es función de la uniformidad en el caudal y la variación de presión independiente de las condiciones de topográficas. En este trabajo, sin olvidar esos parámetros se han adicionado los que desde el punto de vista de la ingeniería de riego permitan la correcta selección del programa comercial y que proporcione un diseño del sistema de riego técnicamente apto. Los resultados indican que: A pesar de que las bases teóricas de cálculo son usadas por los tres programas, durante el desarrollo del diseño, si existe diferencia en los resultados, por lo que será importante previo a la selección del programa comercial, tener en cuenta los criterios que aquí se mencionan para obtener los resultados deseados Derivado del proceso de diseño, desde el punto de vista hidráulico el esquema de diseño es similar, mostrando homogeneidad en la ubicación y trazo de los componentes del sistema de riego; no obstante desde el punto de vista económico, la cantidad de material utilizada si es variable, lo que en un momento puede ser un parámetro definitivo en la instalación del sistema Los resultados obtenidos en el diseño del proyecto presentan variaciones en las dimensiones de la red. El resultado obtenido con el programa WCADI presento menor costo del material total del proyecto La utilización de parámetros para evaluar el desempeño de estos programas comerciales ha permitido ampliar el criterio de selección para el diseño de riego presurizado, pero más importante, es la oportunidad de elección con base al factor que más interese, entre los cuales se pueden mencionar. 9

10 Referencias Bibliográficas Arviza, J. y C. Santamarina: Ingeniería Rural: Hidráulica, S.P.U.P.V.: , Valencia, Buendía E. J.C.; Palacios V. E.; Chávez M. J.; Rojas M. B. Impacto del funcionamiento de los sistemas de riego presurizados en la productividad de ocho cultivos, en Guanajuato, México. Agrociencia 38(5): CONAGUA Estadísticas del Agua en México, Edición México, D.F. IMTA Riego por aspersión y localizado. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Jiutepec, México. Rivera H. R.; Mujica C. A "DITMUSA" Software para el diseño de sistemas de tuberías dotadas de múltiples salidas. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias (21):