ENFOQUE

Plataforma Modular Integrada para sistemas de riego 2. Descripción de la propuesta

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

RESUMEN. Hasta el presente, la aplicación conjunta de la modelación matemática, los sistemas de información geográfica y los sistemas de control en tiempo real para la operación de los recursos hidráulicos ha sido abordada de manera parcial. En este trabajo, se propone una estrategia de aplicación, en la forma de una plataforma modular integrada, de estas herramientas para el control de la operación de los sistemas de riego. En su concepción más general, la estrategia puede aplicarse tanto en sistemas presurizados, por gravedad o con máquinas de riego y para fuentes de agua tanto superficial como subterránea. Ella puede contribuir a resolver problemas relacionados con el agua en cuanto a: el suministro adecuado a los consumidores, la detección temprana de escasez, la calidad del agua, el monitoreo del comportamiento de la infraestructura propiamente dicha y la detección de irregularidades por parte de operadores y usuarios. Dentro de los factores que favorecen su implementación se encuentran la posibilidad de su instalación por etapas, la concepción de una base de datos única que posibilita el uso compartido de la información y la utilización de diferentes esquemas de captación de las variables que se requieran.

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

ABSTRACT. Until present, the combined application of the mathematical modelling, geographic information systems and real-time control systems for water resources management has been approached in a partial way. This work introduces a strategy for the integrated application of these tools in the control of water in irrigation system. In its more general conception, the strategy can be applied to pressure, gravity or system with irrigation machines and surface water systems using groundwater or surface water supply. It can contribute to solve problems related with: appropriate supply to the consumers, early detection of shortage, water quality, infrastructure components monitoring, and the detection of irregularities caused by operators and users. Factors that favour its implementation are: (a) it can be developed in a logical sequence that allows improvement in successive stages based on precedent ones, thus enhancing gradual implementation, starting from a first small capital investment and leaving full completion to later stages; (b) the conception of an unique database that facilitates the shared use of the information; and (c) the use of different data acquisition variables treatment methods.

Keywords: water resources management, irrigation systems operation.

Recibido 22/12/07, aprobado 13/11/08, trabajo 59/08, enfoques.

¹ MSc. Prof. Instituto Superior Politécnico «José Antonio Echeverría»(ISPJAE), Centro de Investigaciones Hidráulicas (CIH),

E-mail: mail: modesto@cih.cujae.edu.cu

² Dr. Prof., ISPJAE- CIH.

INTRODUCCIÓN

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

El presente trabajo se basa en la experiencia de más de veinte años de un colectivo de especialistas del Centro de Investigaciones Hidráulicas de Cuba en la operación de sistemas hidráulicos y la automatización de procesos. En el mismo se aborda el problema del análisis y tratamiento del dato para la gestión del recurso agua y en particular su aplicación a sistemas de riego, y se propone una plataforma para el manejo de los recursos, basada en las potencialidades de la electrónica y la informática de conjunto con los modelos de simulación de los procesos hidráulicos Llanusa (1997), Martínez (1989 y 1990), Martínez y Gutiérrez-Ojeda (2004a y 2004b) y las fortalezas asociadas a los sistemas de información geográfica.

La estrategia de solución en la que se fundamenta la plataforma se basa en la integración de los modelos matemáticos de simulación, Pérez (2002), los sistemas de control con supervisión y adquisición de datos (SCSAD) y los sistemas de información geográfica (SIG) a partir de la conformación de una base de datos única.

Esta solución, diseñada inicialmente para su aplicación en Cuba, presenta un carácter modular y se implementa en una secuencia lógica que permite su perfeccionamiento en etapas sucesivas, apoyadas íntegramente en las precedentes y posibilita su implementación a partir de una primera y pequeña inversión de capital, que se va completando en las etapas posteriores.

La adquisición del dato. Problemas que se presentan

Frecuentemente, para conocer el estado y comportamiento de las fuentes de agua se acude a métodos de medición que emplean instrumentación mecánica o electrónica, para obtener registros puntuales de información. Estos métodos resultan imprecisos cuando se desea controlar una zona de alto interés regional o nacional, pues al ser las mediciones puntuales, y en ocasiones adquiridas de forma irregular, pueden surgir perturbaciones locales sobre el sistema que no son representativas del comportamiento real del mismo. Por otra parte, cuando se requiere hacer mediciones en áreas extensas y de difícil acceso, no es posible tener en la misma fecha el registro de todos los datos, aspecto muy importante cuando se quiere tener, por ejemplo, la calibración de un modelo matemático de un acuífero con cierto grado de confiabilidad. Por último, para preservar el recurso, hay que mantener una política de explotación diaria del mismo y esto se imposibilita al no tener información actualizada sobre la cual basar los pronósticos.

Considerando estas limitaciones, en la actualidad se manifiestan otras tendencias en la gestión de los recursos hidráulicos de una región que se sustentan en los Sistemas de Manejo de la Distribución de Agua (SMDA). Habitualmente se ha acudido a dos grandes soluciones en su implementación: en algunos casos se ha escogido el desarrollo de un SCSAD como base y fuente de información para el SMDA; en otros casos, se acude a los SIG como soporte para el análisis y toma de las decisiones a ejecutar por el SMDA.

Desde el punto de vista del tratamiento de la información ambos enfoques desestiman las ventajas que su contraparte presenta por separado.

Por ejemplo, los SCSAD están concebidos para el procesamiento de información en tiempo real proveniente de la instrumentación electrónica ubicada en instalaciones de campo, generar archivos históricos, realizar tratamientos de alarmas y condiciones críticas, entre otras funciones; pero tienen limitaciones para desplegar datos espaciales y realizar análisis espacial de la información.

Por su parte, un SIG es una herramienta poderosa para hacer análisis espacial de la información, basado en mapas y operaciones sobre estos, pero no están concebidos para el manejo de información de tiempo real y la atención a eventos críticos que pueden presentarse en la operación de una instalación.

Por lo tanto, la estrategia de solución que se enuncia en este trabajo 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.

El intercambio de información y la puesta en marcha de cada una de ellas se resuelve mediante un supervisor que, en tiempo real, distribuye los roles a cada una de las partes integrantes y se encarga de arbitrar y mantener la consistencia de la base de datos única.

Una Plataforma Modular Integrada para la operación de sistemas de riego

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 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: a) Campos de pozo y red de conducción principal hasta el abasto a los usuarios; b) Operación de embalses y los sistemas de conducción desde estos hasta los usuarios; c) 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; d) La operación conjunta de campos de pozos, embalses, canales de trasvase y canales de conducción hasta los usuarios; e) 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.

Además, está previsto que la plataforma y su estrategia incluya: (I) 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; (II) 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.

A continuación se relacionan las características de la propuesta:

1- Está estructurada sobre una estrategia de desarrollo por escalones. De esta manera, cada grupo de resulta dos (escalón) que se culmina, sirve de sólido apoyo para el siguiente.

2- Emplea, como sus componentes esenciales, a los tres pilares actuales de la tecnología de punta para estos estudios: (I) la Modelación Matemática (MM), Hernández (2006) y las Técnicas de Optimización (TO) de los procesos a estudiar; (II) el SIG como tecnología informática de la geografía, Maidment (1996), y que en unión estrecha con la MM, Shamsi (2001), conforman una herramienta poderosa para el estudio espacial y la gestión de la operación; (III) la implementación de un sistema de adquisición y procesamiento de datos en tiempo real, personalizado para cada aplicación, que tiene en cuenta los procesos de operación Haime (1998) y que se encuentra estrechamente vinculado con los resultados que proporcionan los otros dos componentes.

En la PMI que se presenta, las decisiones a adoptar a través de Reglas de Operación (RDO), se basan en el procesamiento de la información de entrada proveniente de la automatización y los resultados que proporcionan los modelos matemáticos de simulación y optimización.

3- La información de las variables que describen el proceso, es recibida por diferentes vías (ver Figura1) y se almacena en una Base de Datos Histórica Actualizada (BDHA) con diferentes frecuencias en la adquisición del dato, lo que posibilita el uso racional de los soportes de almacenamiento, un mejor y más eficiente trabajo de los programas que emplean la BDHA, y una economía importante en la inversión del capital destinado a adquisición y procesamiento de la información que se recolecta.

FIGURA 1. Entrada de datos por diferentes vías.

4- Con la implementación del primer escalón y hasta la puesta en funcionamiento del último, va en paralelo un proceso de formación de capacidades a todos los niveles que permite a la entidad usuaria adiestrar a su personal para obtener de la plataforma las mayores ventajas en su empleo.

Particularidades del escenario de adquisición de datos dentro de la PMI propuesta

Debido al gran carácter distribuido de los sistemas hidráulicos, la forma de llevar a cabo esta automatización es mediante la implementación de un Sistema Centralizado de Control o estructurado en un Puesto Central, personalizado para cada aplicación y para cada cliente.

En la concepción de la PMI propuesta, la comunicación entre las Estaciones Remotas y el Puesto Central, al no tener por qué ser en tiempo real en todos los casos, permite establecer, como se muestra en la Tabla 1, diferentes alternativas de solución con lo cual se abarata la inversión inicial y el costo de operación y mantenimiento.

El empleo de equipos registradores de variables (RV) en localizaciones de campo (ver Figura 2), constituyó una estrategia de la propuesta de solución. Estos equipos permiten obtener los valores de un subconjunto de las variables a procesar, sin necesidad de utilizar y saturar el medio de transmisión en tiempo real. Las mediciones se almacenan en memoria no volátil y se descargan a la base de datos del sistema, vía PC, de forma periódica.

FIGURA 2. Registrador de Variables para procesar información en tiempo diferido.

Aplicación: Gestión de un área bajo riego abastecida por un campo de pozos

A continuación se muestra, en la ilustración 3, la representación esquemática del procedimiento de trabajo de la PMI propuesta para la gestión de un área bajo riego:

Donde:

Base de datos histórica (BDH): relieve, suelos, uso de suelos, hidrografía, geología, hidrogeología, obras hidráulicas, ubicación de pozos de extracción, ubicación de pozos de observación, registros históricos de lluvia y demás variables climáticas, registros o cálculos de evapotranspiración, coeficientes bioclimáticos del o los cultivos, normas parciales y totales, registros históricos de extracción, información de la extracción por pozo, entre otras.

TABLA 1. Ejemplo de alternativa de medición para la gestión de un área bajo riego

Base de datos histórica actualizada (BDHA): uso de suelos, obras hidráulicas, viales y civiles, ubicación de pozos de extracción, ubicación de pozos de observación, condiciones de contorno, lluvia y demás variables climáticas, evapotraspiración, normas de riego. Por pozo: nivel dinámico, calidad del agua, gasto, presión, horas de trabajo, variables eléctricas, posición de válvulas, alarmas. En la red: gasto, presión, calidad del agua, volúmenes en tanques de almacenamiento, posición de válvulas, alarmas. En el campo: perfil de humedad del suelo en la zona radicular.

Información (Info.1 e Info. 2): representan la información inicial y generada durante la operación, respectivamente; RDO/CE representa las Reglas de Operación más Criterios de Expertos y RDO/SE representa las Reglas de Operación basadas en el Sistema Experto.

FIGURA 3. Esquema lógico del flujo de trabajo y las decisiones.

La existencia de la PMI permite desarrollar una gestión multilateral de la operación de los sistemas de riego Walski (2003) y obtener los beneficios siguientes:

La satisfacción del usuario en cuanto al suministro en cantidad y calidad mediante la creación y ejecución de un algoritmo de distribución de la operación. Este algoritmo decide cada cierto intervalo de tiempo cuáles son las fuentes activas que abastecen y el caudal de cada una. A partir del conocimiento anticipado del comportamiento del sistema que permiten los modelos, y controlando la respuesta en tiempo real de este (presiones, abatimientos, conductividad, etc.), la decisión va cambiando según convenga para el mejor cumplimiento de los intereses de usuario.

Los aspectos de la economía quedan también considerados en los párrafos anteriores en una forma directa, por cuanto se organiza el bombeo de forma que se reducen los consumos de energía.

La sustentabilidad del funcionamiento del sistema también se garantiza con el algoritmo de distribución de la operación entre las fuentes disponibles. Por otro lado, la PMI permite evaluar con los modelos, las consecuencias de futuras ampliaciones, cambios tecnológicos, rehabilitaciones u otras inversiones, antes que se produzcan dichos cambios.

La información técnica obtenida de las necesidades reales de los cultivos y su relación con las variables climáticas, posibilita una mejor gestión para las próximas campañas de riego y un enriquecimiento considerable del sistema experto en que se apoya la toma de decisiones.

CONCLUSIONES

• 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 describe la Plataforma Modular Integrada para la gestión de los recursos hidráulicos que se propone, en términos de los componentes que la integran, funciones específicas de cada uno de ellos y estrategias en cuanto a su diseño y aplicación a condiciones concretas. Se aborda la necesidad de implementar un método flexible de adquisición de la información con diferentes frecuencias de muestreo de las variables y se destaca la importancia de disponer de un banco de datos único para todas las herramientas que la conforman.

• Por último se presenta un esquema lógico de los módulos de la plataforma para el caso de la gestión de un área bajo riego, la interconexión entre ellos y la estrategia que sustenta el flujo de información y las decisiones a adoptar. El procedimiento de operación definido, representa una solución a diversos problemas de gestión integral de los recursos hidráulicos reportados en la literatura.

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