rcta12308

Plataforma Modular Integrada para sistemas de riego 1. Antecedentes de la solución

Modesto R. Gómez Crespo¹, Alcides J. León Méndez² y José B. Martínez Rodríguez²

Resumen. En la literatura se recogen numerosas referencias a la aplicación de herramientas para la gestión de los recursos hidráulicos y sus aportes a la modelación y operación de diversos sistemas afines, incluidos los sistemas de riego. Tales herramientas abordan la solución desde la perspectiva de los sistemas de tiempo real, caracterizados por la existencia de una infraestructura electrónica e informática y la atención continua a los recursos y elementos de las instalaciones de campo, o desde la perspectiva del manejo espacial de la información a partir de la superposición de capas datos y el análisis de estos, basado en modelos para la toma de decisiones. En este trabajo se profundiza en las características más importantes de estas herramientas, señalando sus principales ventajas y desventajas, desde el punto de vista del manejo de los sistemas hidráulicos. Finalmente se enuncia una plataforma modular integrada cuya concepción permite extender su aplicación a numerosos sistemas, incluidos los sistemas de riego.

Palabras clave: gestión de recursos hidráulicos, operación de sistemas de riego.

ABSTRACT. Literature resumes the contributions and application of water resources management tools for modelling and operation systems, including those for irrigation. Such tools propose solutions in the view of real time application, characterized by the existence of an electronic and computer infrastructure, as well as the permanent monitoring of field installation and resources, or from the perspective of spatial information handling, based in the overlapping and analysis of data layers, using decisions support management systems. This work highlights the most important characteristics of these tools, pointing out its principal advantages and disadvantages, from the perspective of water management systems. Finally a modular integrated platform applied to irrigation systems operation, is proposed.

¹ MSc. Prof. Instituto Superior Politécnico «José Antonio Echeverría»(ISPJAE), Centro de Investigaciones Hidráulicas (CIH),
E-mail: mail: modesto@cih.cujae.edu.cu

El agua es un recurso vital para la vida. Sin un uso eficiente del agua, aún las regiones con más recursos pueden sufrir la sequía operacional, debido a la mala operación de los embalses y campos de pozos. Alley et al (1999).

Se estima que la población mundial necesitará en el 2030 un 55% más de alimentos para subsistir, lo cual se traducirá en una demanda mayor de agua para la agricultura que actualmente representa el 70% de toda el agua dulce destinada para el consumo humano.

En Cuba se presentan diversas situaciones que acarrean dificultades de cara al uso y manejo de los recursos hidráulicos y requieren de iniciativas que garanticen un mejor aprovechamiento de dichos recursos.

El presente trabajo realiza un análisis crítico de las soluciones que se han venido aplicando en la operación y administración de los sistemas de recursos hidráulicos y las insuficiencias que estas presentan para realizar una gestión integral. Finalmente enuncia las bases y estrategias adoptadas por el Grupo de Modelación y Automatización de Procesos del CIH para la implementación de una plataforma modular integrada que responda a la necesidad de realizar una gestión multilateral de las fuentes de recursos hidráulicos.

A continuación se describen en dos grupos, algunas de las soluciones encontradas en la literatura relativas al estudio, operación y manejo de los sistemas de recursos hidráulicos. El primer grupo se refiere a métodos y sistemas patentados en los que se aplican diferentes estrategias de control en tiempo real. El segundo se refiere a modelos matemáticos articulados mediante SIG.

En el presente, la administración de los recursos hidráulicos y los servicios que esta involucra, ha mostrado avances significativos en materia de automatización de las operaciones. Muchas de las soluciones actuales proponen sistemas y métodos específicos para atender determinados procesos de los sistemas de distribución de agua (monitoreo del servicio, tratamiento y purificación de las aguas, bombeo, etc.). No obstante, no se aprecian tendencias claras dirigidas a la integración de soluciones que aporten un enfoque global y multifacético a la administración del recurso agua, desde el punto de vista del conjunto de herramientas y procesos que se requieren. Dentro de las soluciones técnicas conocidas se encuentran:

_ System and Method for Developing a Farm Management Plan for Production Agriculture: Esta patente está concedida a un sistema de hardware, software y manejo de negocios para el desarrollo y manejo óptimo del plan de una finca y en particular la selección para uno o varios años de los cultivos, localización de los mismos y las estrategias de producción agrícolas. El método emplea modelos matemáticos y análisis de sensibilidad para ayudar a optimizar la solución. No abarca el recurso agua ni superficial ni subterráneo, ni integra la geografía, con los modelos específicos y con la toma de decisiones

_ Irrigation control and management system: Se implementa un sistema y método de control cooperativo para riego que establece la comunicación entre el personal de campo y el centro remoto con vistas a atenuar los efectos de pérdida de agua por evapotranspiración. Las estimaciones se realizan con base a un factor de evapotranspiración, pero no aplica la modelación matemática que involucre otras variables significativas del área de interés, ni aporta soluciones desde el punto de vista de las interfases de usuario para la supervisión

_ Irrigation control and flow management system: Se implementa un método y equipo para el riego de una zona, según un plan de riego predeterminado. El control de la actividad de riego se realiza considerando las restricciones de capacidad de bombeo y capacidad de
los elementos de conducción. El método propuesto permite establecer las horas de riego y la política de operación de las bombas en función de la demanda y las condiciones climáticas. Como limitaciones fundamentales se encuentran no considerar otros criterios de optimización de la operación como el costo energético del bombeo, la interacción de los datos espaciales, con la información de tiempo real y el chequeo de condiciones críticas o de alarma durante la operación

_ System and Method for Optimized Control of Moving Irrigation System: Esta patente se concede a un sistema para optimizar a través de la computadora un área bajo riego. Emplea sistema de información geográfico y posicionador por satélite para ubicar los pivotes de riego que componen el sistema y controlarlos a distancia. No abarca el uso racional del recurso agua en ninguna de sus facetas

_ Water management system: Desarrolla un sistema, método y programa de computación para la renovación del agua y el manejo de pronósticos en sistemas hidráulicos. Incluye una interfase gráfica y una base de datos del pasado (histórica) y futura (pronosticada), del clima y los cultivos, que se emplea para la renovación del agua en los embalses y el pronóstico del manejo de estos cuerpos de agua. El trabajo que presenta no integra las características y bases de datos geográficas con las bases de datos específicas que caracterizan el recurso agua. Se aplica solamente al recurso agua embalsado en las presas y su objetivo es el pronóstico de la distribución dejando de integrar en el mismo el recurso agua subterránea, por lo que limita el análisis integral de la región de estudio. No actúa tampoco sobre los eventos extremos del ciclo hidrológico: sequías y grandes lluvias que provocan inundaciones

Como se observa, las soluciones patentadas conocidas proponen sistemas y métodos específicos, desde el punto de vista de elementos físicos de las instalaciones, componentes electrónicos y medios de supervisión y control. De modo general, la toma de decisiones se basa en el procesamiento de información de tiempo real a partir de la existencia de equipamiento e instrumentación electrónica. No se integran herramientas para el análisis espacial que pudieran complementar la efectividad de las decisiones adoptadas.

Paralelo al desarrollo de sistemas de control de la operación, han ido surgiendo y perfeccionándose múltiples métodos y herramientas informáticas para la modelación matemática y representación de la información. Dentro de las soluciones y herramientas más reconocidas en el campo de la Hidráulica se encuentran los desarrollos siguientes:

_ HydroGeo Analyst: tecnología para la administración y visualización del comportamiento de las aguas subterráneas y acuíferos que permite la gestión de los datos del acuífero, el análisis del comportamiento de los niveles de agua para la entrega a distritos y la elaboración de mapas sobre las formaciones geológicas

_ AquaChem: Diseñado para el análisis y manejo de los proyectos de estudio de la calidad de las aguas. Permite calcular los índices de dureza del agua para el uso por las plantas de tratamiento, las tendencias de mineralización y salinización de las aguas, así como los niveles de calidad que ésta presenta para el consumo humano

_ AquiferTestPro: Diseñado para el análisis gráfico y la generación de reportes basados en los datos de las pruebas de bombeo. Analiza los datos de las pruebas de bombeo para predecir las propiedades hidráulicas de un acuífero (conductividad hidráulica, almacenamiento y trasmisividad)

_ Visual ModFlow: Constituye la herramienta de modelación más avanzada de Waterloo Hydrogeologic Software en términos de combinaciones de características y funcionalidades que ofrece. Permite gran flexibilidad para su aplicación en diversos escenarios de simulación, incluidos las configuraciones de acuíferos más complejas, la predicción del impacto de la intrusión salina durante el bombeo y la simulación de la atenuación natural de los compuestos orgánicos. La articulación con la tecnología SIG permite seleccionar los sitios para el bombeo y delinear las áreas principales para la protección de los pozos

_ Mike Basin: Herramienta versátil de soporte a las decisiones basada en SIG para el manejo y planificación integrada de los recursos hidráulicos. Brinda soluciones alternativas para la asignación de agua y la atención a los problemas de escasez de ésta, optimiza la operación de embalses y establece medidas de costo-beneficio dentro de la temática de la calidad del agua. Permite resolver problemas de asignación multisectorial de agua y los problemas ambientales que se presentan en una cuenca

_ Mike She: Plataforma para la modelación, que permite adicionar el ciclo hidrológico al modelo de agua subterránea o adicionar todos los datos de uso del terreno al modelo de lluvia-escorrentía. Permite realizar estudios del impacto de cambios en el uso de la tierra y el clima, inundaciones, y de transporte de sólidos en aguas subterráneas y superficiales

_ FeFlow: Herramienta para la modelación del flujo y transporte de sustancias disueltas. La discretización del elemento finito permite utilizar mallas complejas no estructuradas, que se ajustan con gran precisión a la estructura natural, al tiempo que obedecen a requerimientos como tamaño del elemento, ángulos de los elementos, entre otros. Sus aplicaciones fundamentales se dirigen hacia el análisis de problemas de intrusión salina, recuperación del agua subterránea, interacción entre agua subterránea y superficial, entre otras

_ Temporal Analyst for ArcGIS: Única extensión de ArcGIS que resuelve las limitaciones tradicionales del tratamiento del factor tiempo en las bases de datos procesadas por el SIG. Esta extensión permite el tratamiento de series temporales de datos directamente dentro
de ArcGIS, el almacenamiento, manejo y visualización de datos temporales, en un contexto espacial, así como análisis y procesamiento de datos desde múltiples disciplinas. No obstante, su concepción no permite el manejo de información en línea, ni la conexión con SCSAD para la operación de los recursos hidráulicos

De este análisis se concluye que estas plataformas profesionales, no obstante sus altas potencialidades en el tratamiento y representación de la información, desarrollan sólo los aspectos relativos a la modelación y simulación del comportamiento hidrodinámico de los sistemas, bajo la ocurrencia de determinadas circunstancias y escenarios, pero sin integrar, en una misma plataforma, el conjunto: monitoreo y control en tiempo real que facilite las tareas de operación de los sistemas, manejo temporal del dato y mecanismos que permitan compartir información para la comunicación e interrelación dinámica de estos componentes sustanciales de un sistema de recursos hidráulicos de gran escala. Es decir, por sí solas no permiten la gestión completa de los recursos hidráulicos de una región o zona de interés.

La plataforma modular integrada (PMI) que se enuncia en este trabajo, y la estrategia que la sustenta, está destinada a la implantación de una metodología para ejecutar la operación de fuentes de agua, superficiales o subterráneas en sistemas de riego y drenaje con el propósito del abastecimiento de usuarios rurales con un empleo racional del agua y la energía.

Para la operación de sistemas de riego pueden implementarse las siguientes variantes:

_ Operación de embalses y los sistemas de conducción desde estos hasta los usuarios

_ La operación de embalses interconectados por canales que trasvasan grandes volúmenes de agua de una región a otra y la red de distribución a los usuarios

_ La operación conjunta de campos de pozos, embalses, canales de trasvase y canales de conducción hasta los usuarios

_ El pronóstico de los caudales que se producirán en una cuenca al paso de una tormenta y la determinación del movimiento de los volúmenes de agua por los cauces, con el fin de prever áreas de inundaciones como función de la variable tiempo, y de esta forma pronosticar las estrategias de evacuación necesarias y prevenir pérdidas humanas y materiales

Esta lista de aplicaciones no es exhaustiva y puede extenderse a otros casos. En cualquiera de ellos, no obstante, está previsto que la plataforma y su estrategia incluya:

_ La detección de condiciones críticas o de alarma durante la operación, producidas por fallos o averías de los componentes de la instalación y el tratamiento oportuno de éstas

_ La detección de irregularidades en la disciplina de trabajo y tecnológica de los operadores a partir del análisis de la información almacenada en la base de datos

La PMI está estructurada sobre una estrategia de desarrollo por escalones. Los escalones representan etapas sucesivas que van desde la aplicación de elementos sencillos que implican pequeñas inversiones, hasta la introducción de elementos con alto grado de desarrollo tecnológico.

El análisis integral de la solución se logra mediante la concepción de una base de datos única a la cual tributan todas las herramientas que componen la plataforma. Esta estrategia permite un método consistente de almacenamiento de la información, sin necesidad de duplicar su contenido y el acceso a esta desde los diferentes componentes. Por otra parte, garantiza la inclusión de nuevos módulos en etapas posteriores, sin interferencia con los existentes.

La secuencia de implantación de la PMI podría ser como la que a continuación se detalla:

1. Estudio a nivel regional del problema, recopilación y procesamiento de bases de datos disponibles. Preparación de la primera versión del SIG.

2. Calibración de los Modelos Matemáticos necesarios para la gestión de la operación. Comienzo de la operación, basado en pronósticos realizados a través de los modelos de simulación del sistema (SIG + MM) con la toma de decisiones en tiempo diferido y entrada de datos no automatizada.

3. Aplicación parcial de la PMI (SIG + MM + Sensores y Registradores de Variables) para la toma de decisiones en tiempo diferido con entrada de datos parcialmente automatizada.

4. Aplicación parcial de la PMI (SIG + MM + Sensores y Telemedida + Sensores con Registradores de Variables) para operación y toma de decisiones en tiempo diferido con entrada de datos parcialmente automatizada.

5. Aplicación total de la PMI (SIG + MM + Sensores y actuadores con Telegestión y Sensores con Registra
dores de Variables + SCSAD) con toma de información en tiempo real y diferido y operación en tiempo real, empleando la mejor estrategia para cada aplicación.

Hasta el presente los autores, no han encontrado en la literatura reportes sobre la aplicación de plataformas modulares integradas para la administración de los SMDA, similares a la propuesta en este trabajo.

No obstante, en Langsdon (2001) se aborda la necesidad de aplicar un enfoque integrado en la utilización de los SIG, los modelos matemáticos de simulación y optimización y los SCSAD para la gestión de los servicios de distribución de electricidad. También, en Shamsi (2001) se presenta un enfoque parcial del tema para el manejo de los recursos hidráulicos, basado en la integración de los SIG y la modelación matemática.

La existencia de la PMI permite desarrollar una gestión multilateral de la operación de los recursos hidráulicos y en particular de un sistema de riego.

A pesar de los avances significativos en la modelación matemática, la aplicación de los sistemas de información geográfica y los sistemas de supervisión y control de tiempo real para el manejo de los recursos hidráulicos, no ha sido desarrollado un enfoque integrado de tales herramientas hasta el presente.

En este trabajo se abordan las limitaciones que cada una de las actuales herramientas utilizadas para el estudio de los sistemas de recursos hidráulicos presentan por separado y se mencionan diferentes ejemplos que han sido revisados y estudiados por los autores.

El enfoque aplicado para resolver las deficiencias encontradas tiene como premisa, la interrelación tanto del dato espacial, como el de tiempo real. Por lo tanto, la estrategia de solución que se enuncia, contempla la integración, mediante un enfoque modular y una base de datos única, de cada una de estas herramientas, procurando que cada cual aporte sus mayores fortalezas.

• ALLEY, W.M.; T.E. REILLY and O. L. FRANKE: Sustainability of Ground-Water Resources. U.S. Geological Survey Circular 1186, Denver, Colorado, 1999.

• AQUACHE: Disponible en: http://www.waterloohydrogeologic.com/software/aquachem/aquachem_ov.htm [Consulta: junio 12 2007].

• AQUIFERTEST PR: Disponible en: http://www.waterloohydrogeologic.com/software/aquifertest_pro/aquifertest_pro_ov.htm [Consulta: junio 12 2007].

• FEFLOW: Disponible en: http://www.swstechnology.com/software_product.php?ID=43 [Consulta: junio 12 2007].

• HYDROGEO ANALYST: Disponible en: http://www.waterloohydrogeologic.com/software/Hydrogeo_Analyst/Hydrogeo_analyst_ ov.htm [Consulta: junio 12 2007].

• LANGSDON, ROGER: DMS-The integration solution for GIS/SCADA/OMS. 2001. Disponible en: http://www.gisdevelopment.net/proceedings/gita/2000/os/os003pf.htm [Consulta: noviembre 15 2006].

• MIKE BASIN: Disponible en: http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishyd98/dhi/mikebas/Mbasmain.htm [Consulta: junio 14 2007].

• MIKE SHE: Disponible en: http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishyd98/dhi/mikeshe/Mshemain.htm [Consulta: junio 14 2007].

• TEMPORAL ANALYST FOR ARCGIS: Disponible en: http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishydro05/Time/DHI_Temporal_Analyst /TA-productsheet. pdf [Consulta: junio 21 2007].

• VISUAL MODFLOW: Disponible en: http://www.waterloohydrogeologic.com/software/visual_modflow_pro/visual_modflow_ pro_ov.htm [Consulta: junio 21 2007].

• WALSKI, T.: Advanced Water Distribution Modelling and Management. Haestad Methods, 751pp.,Waterbury, CT USA, 2003.

• WATER MANAGEMENT SYSTEM: Disponible en: http://www.google.com/patents. [Consulta: mayo 23 2007].