INFORME TÉCNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS

Transcripción

1 INFORME TÉCNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS pagina 1

2 Índice PRESENTACION GRADO DE INNOVACIÓN DEL PROTOTIPO INTEGRADO Ventajas tecnológicas Resultados esperados de la innovación EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET) RELACIÓN ENTRE EVAPOTRANSPIRACIÓN Y NECESIDADES DE RIEGO ROL DE LA ET EN LA PROGRAMACIÓN DE RIEGOS MÉTODO DE CALCULO (ET DE REFERENCIA) PRECIPITACIÓN EFECTIVA Y NECESIDADES HÍDRICAS NETAS DE LOS CULTIVOS CÁLCULO DE LAS NECESIDADES BRUTAS DE RIEGO DE LOS CULTIVOS GENERACION DE CALENDARIOS DE RIEGO CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CULTIVO ORGANIGRAMA PARA EL CALCULO DE NECESIDADES HIDRICAS Y CONTROL A TIEMPO REAL MEDIANTE SENSORES pagina 2

3 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. pagina 3

4 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. pagina 4

5 Foto nº 1 Estrés hídrico en maíz Foto nº 2 Percolación profunda Foto nº 3 Escorrentía superficial (arrastre de abonos) pagina 5

6 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 pagina 6

7 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. pagina 7

8 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) pagina 8

9 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. pagina 9

10 6 PRECIPITACIÓN EFECTIVA Y NECESIDADES HÍDRICAS NETAS DE LOS CULTIVOS Técnicamente y desde la perspectiva agronómica podemos decir que 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: la 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. pagina 10

11 Esta función correctora se calcula a través de : 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: pagina 11

12 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. pagina 12

13 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 pagina 13

14 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 % pagina 14

15 -Duración de las fases de cultivo expresados en días ( ciclo vegetativo): Inicial Desarrollo Intermedia Final Total 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 ET c PE NH n NR b Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Estacional Nota: El valor estacional se indica en mm/ciclo de cultivo. Es decir, se precisan 6630 m3 por hectárea de cultivo. pagina 15

16 ANEXOS Ecuación de Penman ( determinación de la ETo) pagina 16

17 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: ET o = 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 ). pagina 17

18 u 2 = velocidad de viento (m/s). Tmed = temperatura media del aire (ºC). (e s e a ) = déficit de presión de vapor (kpa). γ = constante psicrométrica (kpa ºC -1 ) La fórmula de l es: T= temperatura media del aire (ºC) La fórmula de es: T= temperatura del aire (ºC). e o (T med. ) = 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. pagina 18

19 * 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.)/ La fórmula de R n es : R n = R ns - R nl R ns = Radiación neta de onda corta (MJ m -2 día -1 ). R nl = Radiación neta de onda larga (MJ m -2 día -1 ). Siendo, α = albedo. Su valor se aproxima a 0,23 para el caso en el cual estamos trabajando. R s = Radiación solar global diaria (MJ m -2 día -1 ). Este dato lo proporciona la estación agroclimática. y, pagina 19

20 σ = constante de Stefan-Boltzmann ( 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). e a = presión de vapor actual (kpa). R s = Radiación solar diaria (MJ m -2 día -1 ). R so = radiación solar para un día sin nubes (MJ m -2 día -1 ) La fórmula de ea es: e o (T máx. ) = presión de vapor de saturación a temperatura máxima (kpa), Siendo e o (T máx. ) = 0,6108 exp ((17,27 T máx. )/ (T máx ,3), donde exp = 2,7183. Hr mín. = humedad relativa mínima diaria (%). pagina 20

21 INFORME TECNICO POR PROTOTIPOS INTEGRADOS o e (Tmín. )= presión de vapor de saturación a temperatura mínima (kpa), Siendo eo (Tmín. ) = 0,6108 exp ((17,27 Tmín.)/ (Tmín ,3), donde exp = 2,7183. Hr máx.= humedad relativa máxima diaria (%) 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, 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: pagina 21

22 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: 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 La fórmula de G es: pagina 22

23 c s = capacidad calorífica del suelo (MJ m -3 ºC -1 ). T i = temperatura media del aire del día actual (ºC). T i-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 c s e?z (según las características fisicoquímicas del suelo), para el cálculo del flujo térmico en periodos cortos de tiempo se utilizará la ecuación simplificada: T i = temperatura media del aire del día actual (ºC). T i-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) La fórmula de g es: pagina 23

24 C p = calor específico a presión constante (1, 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: U 2 = velocidad del viento medida a 2 m de altura (m s -1 ). pagina 24

25 T = Temperatura media del aire medida a 2 m de altura (ºC). e s = presión de vapor de saturación (kpa). e a = presión de vapor actual (kpa). **Nota (e s e a ) = déficit de presión de vapor (kpa) La fórmula de es es: pagina 25