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Indicadores de automatización y telecontrol en parcelas de riego localizado con cultivos hortícolas

A. Ruiz Canales y H. Puerto Molina (Universidad Miguel Hernández de Elche. Dep. de Ingeniería. EPSO. Agua y Energía para una Agricultura Sostenible (AEAS)

J.M. Molina Martínez, D.G. Fernández-Pacheco y F.J. Cánovas-Rodríguez (Universidad Politécnica de Cartagena. Grupo de Investigación en Ingeniería Agromótica y del Mar. ETSIA)

19/09/2014

El uso eficiente del agua y la energía en el sector agrícola es uno de los factores fundamentales para una agricultura sostenible. Mediante el ahorro de agua y energía conseguido con ciertas medidas se incide positivamente en la conservación de los recursos fósiles y la disminución de la contaminación. Entre las herramientas que permiten controlar el consumo del agua y la energía y disminuir los costes en este tipo de instalaciones se encuentran los sistemas de telecontrol y automatización de riego. Mediante esta tecnología se monitorizan los recursos para establecer los períodos de mayor y menor demanda y adoptar medidas para la disminución del consumo y mejorar la eficiencia.

En este artículo se presenta un caso de estudio llevado a cabo en diversas explotaciones comerciales situadas en el Sureste de España, en parcelas cultivadas de especies hortícolas con riego localizado. El objetivo de este trabajo es la propuesta de una serie de indicadores relacionados con la automatización y el telecontrol en parcela durante diversas campañas de riego. Posteriormente se determinaron los valores de los indicadores.

Mediante los indicadores se tiene una idea global de la implementación de las tecnologías de automatización y telecontrol en la horticultura para la zona de estudio. Asimismo se muestran como una herramienta complementaria a las propuestas por Abadía, Moreno y Rodríguez Díaz, entre otros, de indicadores del uso del agua y la energía en instalaciones de riego de comunidades de regantes. La metodología utilizada en comunidades de regantes se adapta perfectamente a las instalaciones de riego en parcela. Mediante la automatización y telecontrol de los recursos es posible mejorar la eficiencia del uso del agua y la energía en parcela y prever consumos anómalos.

Introducción y objetivos

Los modelos de producción, distribución y consumo de alimentos se han sometido a importantes transformaciones en el último siglo. Una de las consecuencias de estos cambios es que en la mayoría de los países desarrollados es posible adquirir verduras frescas en cualquier época del año procedente de zonas donde el mismo producto está en temporada. Un ejemplo de verdura fresca que se oferta durante todo el año en los países del norte de Europa es la lechuga. Su consumo ha crecido regularmente durante las dos pasadas décadas y las cadenas de abastecimiento de estos países las importan durante los meses fríos de otros más cálidos como España. Hay un cierto debate alrededor de la cuantificación de los impactos medioambientales de la explotación de estos cultivos alejados de los puntos de abastecimiento. La sociedad busca cadenas de abastecimiento medioambientalmente sostenibles con las que mantener la oferta de variedad de comida fresca a lo largo del año (Hospido et al., 2009).

Para garantizar la sostenibilidad medioambiental de los recursos es necesario evaluar el uso de los mismos. En el riego de la lechuga se emplean principalmente los recursos agua y energía. La cuantificación del agua y la energía empleadas para el riego de un cultivo en general y de la lechuga en particular permitirá sentar las bases para la cuantificación de los impactos medioambientales de su explotación y avanzar en el conocimiento sobre la sostenibilidad de los recursos empleados en su producción.

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En las instalaciones de riego y en particular a escala de parcela agrícola, es necesaria una gestión eficiente del uso del agua y la energía. Se trata de controlar los consumos excesivos de estos recursos y conseguir un ahorro en los costes de explotación. Una herramienta que permite controlar y diagnosticar el consumo hídrico y energético es el uso de indicadores de gestión. Así se controla el uso del agua y energía en el bombeo y la red hidráulica.

La utilización de indicadores como herramienta en la gestión del riego se emplea desde hace poco tiempo. En 2001, el grupo consultivo del IPTRID (International Programme for Technology and Research in Irrigation and Drainage), elaboró un documento en el que se establecían las directrices para desarrollar un método para mejorar la gestión y eficacia en los sistemas de riego, consistente en la comparación con un patrón de referencia, o ‘benchmarking’ (Malano y Burton, 2.001). Investigaciones anteriores se centraron en la evaluación del uso del agua de riego mediante indicadores con técnicas de benchmarking en el sector agrícola (Rodríguez Díaz et al., 2008).

Paralelamente, los modelos de producción, distribución y consumo de alimentos se han sometido a importantes transformaciones en el último siglo. Una de las consecuencias de estos cambios es que en la mayoría de los países desarrollados es posible adquirir verduras frescas en cualquier época del año procedente de zonas donde el mismo producto está en temporada. La sociedad busca cadenas de abastecimiento medioambientalmente sostenibles con las que mantener la oferta de variedad de comida fresca a lo largo del año (Hospido et al., 2009). Para garantizar la sostenibilidad medioambiental de los recursos es necesario evaluar el uso de los mismos. En el riego de hortícolas se emplean principalmente los recursos agua y energía. La cuantificación del agua y la energía empleada para el riego de un cultivo en general permitirá sentar las bases para la cuantificación de los impactos medioambientales de su explotación y avanzar en el conocimiento sobre la sostenibilidad de los recursos empleados en su producción.

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Adicionalmente, en cualquier procedimiento de gestión en general y en particular en la gestión del agua y la energía, es fundamental disponer de herramientas para la toma de decisiones. Entre las actuales tecnologías para una adecuada gestión de los recursos hídricos y energéticos, destacan las herramientas de automatización y telecontrol de las instalaciones de riego (Sweigard, 2003).

En esta comunicación se presenta un caso de estudio llevado a cabo en diversas explotaciones comerciales situadas en el Sureste de España, en parcelas cultivadas de especies hortícolas con riego localizado. El objetivo de este trabajo es la propuesta de una serie de indicadores relacionados con la automatización y el telecontrol en parcela durante diversas campañas de riego. Posteriormente se determinaron los valores de los indicadores.

Materiales y métodos

Previo a la determinación de los indicadores propuestos se realizó una auditoría energética en una parcela comercial. El estudio de la eficiencia del uso del agua y la energía se desarrolló en una finca comercial donde se cultivaba lechuga Iceberg (Lactuca sativa L.) cultivar Capitata con riego localizado, situada en el paraje Maestres de Arriba de Cartagena (Murcia).

La superficie regada de la finca de estudio es aproximadamente de 98,93 ha. El agua de riego procede del Trasvase Tajo-Segura y de pozos y se almacena en una balsa de regulación propia con capacidad aproximada de 13.975 m3. Desde ese punto el agua de riego se suministra por gravedad a un cabezal de riego. El equipo consumidor de energía es una bomba horizontal que reparte el agua a la totalidad de las parcelas con riego localizado a las que abastece. Ésta incorpora un variador de frecuencia para adaptar el punto de funcionamiento a la demanda de la instalación a lo largo del período de funcionamiento. La presión total máxima oscila entre 44 y 56,7 metros. El caudal unitario de la bomba es de 90 m3•h-1. Al ser insuficientes el caudal y la capacidad de almacenamiento de la balsa de regulación para riego simultáneo de todas las parcelas se riega por turnos. Por ello la instalación de riego está sectorizada y cada uno proporciona riego a las diferentes parcelas de la finca mediante apertura manual de válvulas.

El estudio se basó parcialmente en la metodología empleada para comunidades de regantes y adaptada a las condiciones específicas de una finca. Se consideró el cabezal de riego como un sector hidráulico independiente de funcionamiento y con un contrato de suministro de energía asociado. Se calcularon algunos parámetros hidráulicos y energéticos a partir de una toma de datos en los equipos de impulsión. Durante el estudio se midieron simultáneamente:

  • Caudal, mediante caudalímetro de ultrasonidos, con diámetro nominal entre 12,7 y 7,6 mm y un error de medida de ±1 a 2%.
  • Consumo de energía y otros parámetros energéticos, mediante analizador de redes. Se midió tensión, intensidad, potencia activa y reactiva, energía activa y reactiva, factor de potencia y frecuencia. Todos ellos con un nivel precisión menor o igual al 1%.
  • Presión, mediante dos sondas de presión, una sonda en el circuito de aspiración y la otra en el de impulsión, cuyos rangos de medida de presión estaban entre 0-6 y 0-10 bares respectivamente.

Los instrumentos de medida que se instalaron en la bomba deben registrar datos de un período representativo (p. ej. durante la máxima demanda hídrica del cultivo). En este caso concreto se instalaron entre el 16 y el 23 de marzo de 2011. Aunque el período de medida no coincidió con la máxima demanda de la instalación, sí que sirvió para comparar la demanda medida in situ (mediante los instrumentos de medida) con la facturación eléctrica.

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Tabla 1: Valores de los indicadores en las parcelas del caso de estudio.

Adicionalmente se recopilaron las facturas eléctricas de este cabezal durante la campaña 2010-2011, con el fin de estudiar su evolución y las posibilidades de mejora. Se contrastaron los parámetros eléctricos con los relacionados con el consumo de agua de riego. Para ello se tuvieron en cuenta las estimaciones de los datos de consumo hídrico por parcela en la finca objeto de estudio facilitados por la empresa gestora y los calendarios de riego de cada una de las parcelas de la finca. En cuanto a los indicadores obtenidos del protocolo de auditorías energéticas se estimaron algunos de los más representativos entre los descriptivos, de rendimiento y de eficiencia. Finalmente se propusieron medidas correctoras para la mejora de la eficiencia energética de la instalación y se valoró su aplicación desde el punto de vista económico y energético.

Se empleó la metodología desarrollada por diferentes autores para la mejora del uso del agua y la energía en comunidades de regantes (Abadía et al, 2008; Moreno et al. 2009). A partir de datos administrativos y medidos en campo se determinaron indicadores descriptivos y del uso y productividad del agua y la energía. A partir de esa información se propusieron medidas correctoras. La mayoría de las parcelas de riego estudiadas están constituidas por un cabezal de riego que se alimenta de un embalse o red colectiva de riego. De ahí parten tuberías primarias y secundarias hasta las válvulas de control de las subunidades de riego que suministran agua a los cultivos mediante tuberías terciarias, laterales y emisores de riego localizado.

Los indicadores propuestos son los siguientes:

  • Porcentaje de superficie automatizada frente a la superficie total (%): Cociente entre la superficie de las zonas en las que se automatiza el control del agua y/o la energía y la superficie total abastecida por un cabezal de riego.
  • Volumen de agua controlada por superficie automatizada (m3•ha-1): Cociente entre el volumen anual de agua que se controla en las zonas automatizadas y la superficie total abastecida por un cabezal de riego.
  • Energía controlada por superficie automatizada (kWh•ha-1): Cociente entre la energía anual que se controla en las zonas automatizadas y la superficie total abastecida por un cabezal de riego.
  • Coste de automatización por volumen de agua controlada (€•m-3): Cociente entre el coste del sistema de automatización y el volumen anual de agua que distribuye el cabezal.
  • Coste de automatización por energía controlada (€•kWh-3): Cociente entre el coste del sistema de automatización y la energía anual consumida por el cabezal.
  • Porcentaje del coste de automatización frente al coste total del agua (%): Cociente entre el coste de los sistemas de automatización y el coste total anual del agua en el cabezal.
  • Porcentaje del coste de automatización frente al coste total de la energía (%): Cociente entre el coste de los sistemas de automatización y el coste total anual de la energía en el cabezal.
  • Porcentaje del coste de automatización frente a los costes totales (%): Cociente entre el coste de los sistemas de automatización y los costes totales anuales en el cabezal.

Resultados y discusión

  • En las parcelas estudiadas se han implantado sistemas de automatización para el control de las redes de riego en parcela.
  • Los volúmenes de agua y cantidades de energía controlados son muy variables y dependen de las características específicas de la instalación a la que se haga referencia.
  • En general, los costes de automatización por volumen controlado y energía son superiores a los valores análogos en comunidades de regantes.
  • Los costes anuales de automatización oscilaron entre el 2 y el 5% de los costes anuales totales.
  • La inversión a realizar de este tipo de dispositivos es muy pequeña en comparación con las mejoras de control que implementan.

Conclusiones y recomendaciones

  • La metodología empleada se adapta perfectamente a las instalaciones de riego en parcela.
  • Los volúmenes de agua de riego consumido por hectárea y año estimados (Tabla 2) son inferiores a las necesidades del cultivo.
  • El valor del coste de la energía (Tabla 3 y Figura 1) por unidad de volumen está dentro de los valores medios medidos en la zona.
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Figura 1: Evolución del consumo de energía activa por período en el cabezal de bombeo.
  • Mediante el control simultáneo de los consumos energéticos y los consumos hídricos mensuales es posible mejorar la eficiencia energética de la instalación y prever consumos anómalos por coincidencia de ciclos de cultivo.
  • El coste energético incrementa considerablemente el coste total del agua, si bien este aumento difiere de unas redes a otras.
  • En las parcelas estudiadas se han implantado sistemas de automatización para el control a escala de parcela de la instalación de riego.
  • Los volúmenes de agua y cantidades de energía controlados son muy variables y dependen de las características específicas de la instalación a la que se haga referencia.
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Tabla 2: Consumo de agua por campaña (2010-2011) para riego de lechuga en la finca estudiada.
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Tabla 3: Consumo de energía mensual a lo largo de la campaña 2010-2011 para el riego de lechuga en la finca estudiada.
  • En general, los costes de automatización por volumen controlado son muy pequeños en comparación con los costes de automatización por energía consumida.
  • Los costes anuales de automatización oscilaron entre el 2 y el 5% de los costes anuales totales.
  • La inversión a realizar de este tipo de dispositivos es muy pequeña en comparación con las posibilidades de control que implementan.

Referencias bibliográficas

  • Abadía, R., Rocamora, M.C., Ruiz, A. 2008. Protocolo de auditoría energética en Comunidades de Regantes. IDAE, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, Madrid.Bell, J.P, 1973, Neutron Probe Practice, Institute of Hydrology Report No. 19.
  • Hospido, A.; Mila i Canals, L.; McLaren, S.; Truninger, M.; Edwards-Jones, G.; Clift, R. 2009. The role of seasonality in lettuce consumption: a case study of environmental and social aspects. International Journal of Life Cycle Assessment. Volume: 14 (5): 381-391. DOI: 10.1007/s11367-009-0091-7.
  • Malano, H., and Burton, M. 2001. Guidelines for benchmarking performance in the irrigation and drainage sector. Int. Programme for Technology and Research in Irrigation and Drainage, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.
  • Moreno, M. A., Planells, P., Córcoles, J. L., Tarjuelo, J. M., and Carrión, P. A. 2009. Development of a new methodology to obtain the characteristic pump curves that minimize the total cost at pumping stations. Biosystems Eng., 102(1), 95–105.
  • Rodríguez Díaz JA, Camacho Poyato E, Lopez Luque R, Perez Urrestarazu L. 2008. Benchmarking and multivariate data analysis techniques for improving the efficiency of irrigation districts: an application in Spain. Agricultural Systems 96: 250–259.
  • Sweigard J. 2003. Irrigation district automates for resource management. Water & Wastewater Instrumentation Symposium 44822-26 2003.

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