Uso eficiente del agua y la energía: modelos de diseño y gestión conjunta de sistemas de bombeo y balsas en redes colectivas y sistemas de riego

Los sistema de riego presurizados a pesar de requerir más energía son los de mayor demanda al presentar mayor flexibilidad en la gestión del riego y la adaptación a un amplio rango de cultivos, pudiendo ser a su vez más eficientes en el uso del agua. El objetivo de este trabajo fue desarrollar modelos con un enfoque holístico de diseño y gestión conjunta de sistemas de bombeo y balsas en sistemas de riego alimentados desde sondeo buscando minimizar los costes totales anuales de aplicación de agua por unidad de área (CT) incluyendo la inversión (Ca) operación (Ce) y mantenimiento (Cm). Los modelos DOPW (design of centre pivot supplied from wells), DEPIRE (design of centre pivot with regulating reservoir) y DRODN (design of reservoir on demand network) fueron desarrollados e implementados en MATLAB 2012b (The MathWorks Inc., Natick, MA); se determinaron los caudales, diámetros, potencia y volumen de balsa óptimo, teniendo en cuenta las demanda de agua del sistema, disponibilidad de agua en la fuente, características del sistema de riego, costes (Ca y Ce), horas disponibles para el bombeo. La incorporación de balsas de regulación y almacenamiento en sistemas pívots generan los menores CT en superficies >100 ha, al compararlo con la alimentación directa desde sondeo. El CT se incrementa linealmente con el nivel dinámico en el sondeo (ND) para 100 ha usando el modelo DEPIRE pasa a ser de 659 a 2 414 € ha-1 año-1 y usando el modelo DOPW va de 618 a 2 582 € ha-1 año-1 cuando el ND va de 0 a 200 m, debido al significativo incremento del Ce en la extracción de agua desde el acuífero. El Ce es el principal componente del CT, representando entre el 24,8% y el 80,0% en los casos estudiados. La forma de operación y manejo de la red de riego condiciona las dimensiones de la balsa y los CT a la red para una garantía de suministro de agua, en caso de ND al pasar de 150 a 200 m el volumen de balsa pasa de 2 862 a 1 725 m3 con costes de 374,0 y 431,2 € ha-1 año-1 respectivamente causado por la disminución de potencia y de caudal en la extracción a costa del mayor consumo energético cuando se aplica el modelo DRODN. Las herramientas DOPW, DEPIRE y DRODN, permiten detectar las interrelaciones entre los Ca y Ce, y las variables que lo componen. Palabras claves: modelos, balsas de regulación, diseño óptimo de pívots, diseño óptimo de sondeos, costes de riego anuales

Decision Support System Tool to Reduce the Energy Consumption of Water Abstraction from Aquifers for Irrigation

In pressurized irrigation networks that use underground water resources, submersible pumps are one of the highest energy consumers. The objective of this paper was to develop a decision support system, implemented in MATLAB®, to reduce the energy consumption of the water abstraction process, from an aquifer to a reservoir in existing wells, by installing a frequency speed drive. An economic module with the aim to assess the economic profitability of the investment cost of the variable speed drive was also developed. This tool was used in three wells that were located in the Eastern Mancha Aquifer. Several scenarios and irrigation seasons were analyzed while considering the interannual and annual variation in ground water depth. In the three analyzed irrigation societies (named A, B, and C), energy savings were achieved using a variable speed frequency when compared with fixed speed. Considering the analyzed cases, when the dynamic water table level is higher, energy savings ranged from 4.4% and 24.4%, using a variable speed ratio of 0.9 and 0.82. The energy savings based on the variable speed frequency increased when the dynamic water table level was lower, with the average energy savings close to 23%, 22% and 6.8% for irrigation societies A, B, and C, respectively. The results also show that the investment costs of the variable speed drive in two of the three irrigation societies studied were highly profitable, with a payback that ranged from 4.5 to 10 years