Design a better choice?

Design – a better choice? The Simple Math for saving water ASGCM – Puebla, Mexico October 2015 Brandon Matthews The Toro Company www.thetorocompany.

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Design – a better choice? The Simple Math for saving water ASGCM – Puebla, Mexico October 2015

Brandon Matthews The Toro Company

www.thetorocompany.com

Global Water Management

El agua “ Actualmente sufrimos una crisis respecto al agua. Pero no se trata de no tener suficiente agua para satisfacer nuestras necesidades. La crisis consiste en la mala gestión que hacemos de su uso, y que afecta a tantos millones de personas y a nuestro entorno natural - World Water Council - Vision Report Cualquiera que sea su uso : agricultura, industria, uso doméstico, enormes ahorros en su consumo se pueden lograr con una gestión adecuada.

Dónde está el problema ? Toda el agua en el futuro, la tenemos ya National Geographic, October 1993

• Sólo el 3% del agua en la tierra es agua potable • Sólo el 1% de esa agua potable es de fácil acceso. • Si toda el agua de la tierra entrara en una botella de 4 litros, el agua potable llenaría sólo una cucharilla de café.

La escasez de agua a nivel global

• •

Escacez física : más del 75% del caudal que se extrae de los rios se utiliza para uso agrícola, industrial y doméstico La disponibilad de agua está limitada debido a falta de infraestructuras

Compitiendo por el agua • Aumenta la competencia por disponer del agua : – – – – –

Agricultura Generación de energía Uso urbano / industrial Uso recreativo Entorno / espacios verdes

Incremento de la población

Datos concretos • El 60% de la población mundial vive en zonas con mucha escasez de agua. Y ese porcentaje aumentará de forma preocupante. Published: Friday, April 30, 2010 - 09:13 in Earth & Climate

• Cada caloría de alimento, requiere 1 litro de agua para producirlo. Las dietas de los paises occidentales, requieren 2400 – 2900 litros diarios de agua. • Published: Thursday, July 10, 2008 - 10:23 in Earth & Climate

Es un problema global • La ciuda de Mexico podría quedarse totalmente seca en la próxima decada. • Extrayendo 50-80% más de agua de la que pueden recuperar los acuiferos, el nivel de la superficie baja 0.5 mts cada año. • En el acuífero de Orgallaga que va desde Texas hasta Dakota del Sur, se perforan 200.000 pozos cada día.

El mar de Aral en el oeste de Asia

Lago Mead, USA

2000

2008

Marina .

Marina

Nezahualcoyotl reservoir

Las sequías actuales y las crisis de agua, deben ser afrontadas de inmediato si no queremos pasar sed en el futuro. Pero al mismo tiempo es preciso desarrollar ya poíticas a medio y largo plazo..

Sistemas de riego para campos de golf

• • • •

Componentes del sistema Evolución de los componentes del sistema Mejoras en la eficiencia Desarrollo futuro

Componentes del sistema • • • •

Estación de bombeo Tubería Aspersores Sistema de control

Mejoras en los componentes • Estación de bombeo – Antes era de velocidad fija – Las estaciones modernas tienen motores de velocidad variable con unidad de control de frecuencia variable – Iguala la salida a la demanda sin desperdiciar electricidad

Mejoras en los componentes • Tubería – Antes era de concreto o asbesto – Los sistemas modernos utilizan tuberías de PVC o de polietileno de alta densidad (HDPE) – Reduce las rupturas y fugas, evitando el desperdicio de agua

Mejoras en los componentes • Aspersores – – – – – –

Mejores boquillas Mayor elevación Más boquillas Opciones de boquillas Ajuste de trayectoria Espaciado

Mejoras en los componentes • Espaciado – Antes se utilizaban una o dos filas, 24 a 30 m (80’ a 100’) – Ahora se utilizan tres a cinco filas, disposición triangular, 18 a 21 m (60’ a 70’) – Espaciado más cerrado, más aspersores, mayor eficiencia

Mejoras en los componentes • Controles en campo – – – – –

Antes eran mecánicos Ahora son electrónicos de estado sólido Satelites y Decoficadores Cada aspersor se controla en forma independiente Sincronización exacta al segundo

Mejoras en los componentes • Controles centrales – Antes eran mecánicos, solo arranques controlados – Ahora hay control por computadora – Los ajustes diarios son sencillos y se realizan para optimizar la humedad, lo cual ahorra agua

Mejoras en los componentes • Controles centrales – – – –

Métodos para realizar ajustes Radio UHF Teléfono inteligente Tableta wifi

Mejoras en los componentes • Controles centrales – Gestión de flujo – Cada ajuste diario es optimizado – El programa minimiza el costo de bombeo

Mejoras en los componentes • Datos de cuánto hay que regar – – – –

Evapotranspiración histórica Evapotranspiración local: CIMIS Evapotranspiración en el sitio: estación meteorológica Sensores de humedad en el suelo

Mejoras en los componentes

Nivel de programa: Turf Guard Flecha ascendente con número: cuántas estaciones de área requieren menos agua según los datos de los sensores de Turf Guard.

Nivel de área: Turf Guard Flecha ascendente con número: cuántas estaciones de área requieren menos agua según los datos de los sensores de Turf Guard.

Flecha descendente: cuántas estaciones de área requieren más agua según los datos de los sensores de Turf Guard.

Flecha descendente: cuántas estaciones de área requieren más agua según los datos de los sensores de Turf Guard.

Nivel de estación: Turf Guard Flecha ascendente: no se requiere agua Flecha descendente: se requiere agua 1er número Ajuste de límite 2do número Lectura actual de nivel de humedad

Una fila

CU = 82%, DU = 71 %, SC = 1.7

Espaciado cuadrado

CU = 86 %, DU = 74 %, SC = 1.3 23 % MENOS AGUA

Espaciado triangular

CU = 93 %, DU = 89 %, SC = 1.1 15 % MENOS AGUA

Viejo contra nuevo

Viejo sistema de la década de 1980 actualizado al nuevo sistema 21 % MENOS AGUA

Viejo contra nuevo Vieja disposición rectangular de doble fila de la década de 1980 actualizada a la nueva disposición triangular de varias filas

Mejoras en la eficiencia Dado que los nuevos sistemas son hasta un 30 % más eficientes, un campo de golf que utiliza • 30 millones de galones AHORRA 8 millones de galones • 40 millones de galones AHORRA 11 millones de galones • 50 millones de galones AHORRA 14 millones de galones

¿UN NUEVO SISTEMA DE RIEGO?

CÁLCULOS SENCILLOS

¿Percepción o realidad? Enunciado del problema

Ayudar a los campos de golf a tomar decisiones mejor informadas con respecto a los sistemas de riego, cumpliendo los objetivos de diseño a la vez que se ahorra agua. Parece sencillo; entonces, ¿por qué es tan difícil? Consideremos las perspectivas de cuatro grupos de personas involucradas en este proceso: – – – –

Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros) Arquitectos Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego Ecologistas y opinión pública

26 %

26 % P: En lo referente al uso de agua en el golf, ¿hay alguien que quiera usar más? P: En lo referente al costo, ¿hay alguien que quiera que cueste más? P: Entonces, ¿por qué seguimos complicándonos en estas conversaciones con respecto a un diseño más eficiente del sistema de riego? R: Porque la percepción no siempre corresponde a la ciencia. Debemos ser mejores en entender y explicar los hechos.

34

¿Percepción o realidad? Enunciado del problema

• Percepciones sobre los sistemas de riego: ¿verdadero o falso? – – – –

Si hay menos aspersores, se utilizará menos agua. Un “mejor” sistema de riego tiene que costar más y ser caro. Los sistemas de riego siempre pueden “adaptarse” para ahorrar dinero. Los fabricantes y diseñadores de sistemas de riego siempre exageran en el diseño del sistema. – Los ecologistas consideran que “todos los campos de golf” desperdician agua.

• ¿Cómo juzgaría o percibiría cada grupo los puntos expuestos arriba? – – – –

Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros) Arquitectos Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego Ecologistas y opinión pública

• Sabemos que habrá distintas percepciones pero, ¿qué podemos 26 26 %% hacer al respecto? • Veamos algunos “cálculos sencillos” que nos ayudarán a explicar y entender mejor algunas de las percepciones incorrectas. 35

Cálculos sencillos Crear el “ejemplo”

• Establezca parámetros realistas (sí, cada campo y cada situación son diferentes…) – Vea un hoyo de golf “típico” y extrapole a un campo de golf de 18 hoyos. – Use valores reales para las cantidades de agua y todos los costos. – Revise un diseño básico con un plan de cobertura de tres filas con cantidades y costos. – Revise un diseño básico con un plan de cobertura de cuatro filas con cantidades y costos. – Compare las dos opciones y obtenga conclusiones.

• Datos utilizados en el siguiente ejemplo – – – –

El campo de golf es un proyecto real, con menos de dos años de antigüedad. Los dos planes de cobertura son disposiciones típicas utilizadas en la actualidad. Los costos de los materiales se obtuvieron de cotizaciones recientes de contratistas. Los costos de agua y electricidad se obtuvieron de clientes reales con campos de golf y son más representativos del promedio de costos, no de costos extremos.

26 26 %%

Requisito de aplicación de agua

5 mm/día

35 mm/semana

Factor anualizado: requisito de agua

32 % o 202 829 m3

Costos de agua

$4.85 por 3785 litros (1000 gal)

Costos de electricidad

$0.11 por kWh

Precio del contratista para añadir un aspersor

$400 todo instalado

36

Cálculos sencillos Hoyo de golf “típico” •



Acerca de este hoyo de golf “típico” de par 4 Longitud

367 m

Greens

818 m2

Roughs

8 736 m2

Fairways

9 248 m2

Tees

490 m2

Área nativa

4 622 m2

Área total*

19 295 m2

Convirtamos esto a un equivalente de 18 hoyos Longitud

6 618 m

Greens

14 724 m2

Roughs

157 302 m2

Fairways

166 464 m2

Tees

8 820 m2

Área nativa

83 196 m2

Área total*

347 310 m2

26 26 %%

* - No incluye el área nativa, ya que representa el área de riego deseada.

37

Riego sencillo

Sistema de tres filas, aspersores de bajo costo de círculo completo

• Este hoyo de golf “típico” – Total de aspersores = 69 – Sencillo: todos son aspersores de círculo completo – La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros – Las filas exteriores que proyectan agua hacia fuera tienen una cobertura efectiva de aproximadamente el 60 % de su radio. – La aspersión excesiva fuera de la línea de césped se indica en rojo. – El área de aspersión excesiva es de 2 418 m2 y utiliza 12 090 litros durante un ciclo normal de 5 mm.

26 26 %% • Veamos un diagrama rápido que ayuda a ilustrar la necesidad de proyección excesiva.

38

Riego sencillo

Diagrama de cobertura efectiva con tres filas Espaciado de aspersores

Anchura regada

Anchura efectiva

Fila sencilla: 27 m

54 m

32.4 m

Fila doble: 23 m x 23 m

69 m

50.6 m

Fila triple: 20 m x 20 m

80 m

64 m

El área de la sección de 8 m es de 179 m2 por sección de aspersor

Cobertura efectiva 60 % del radio 8m

12 m

26 %20 m

Línea de césped que requiere cobertura de riego efectiva 39

Riego sencillo

Sistema de tres filas, aspersores de bajo costo de círculo completo •

Este hoyo de golf “típico” – Total de aspersores = 69 – Sencillo: todos son aspersores de círculo completo – La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros – Las filas exteriores que proyectan agua hacia fuera requieren una cobertura efectiva para aproximadamente el 60 % de su radio. – La aspersión excesiva fuera de la línea de césped se indica en rojo. – El área de aspersión excesiva es de 2 418 m2 y utiliza 12 090 litros durante un ciclo normal de 5 mm.



Este campo de golf “equivalente a 18 hoyos” – Total de aspersores = 1242 26 26 %% – Sencillo: todos son aspersores de círculo completo – La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm sobre todo el campo dentro de la línea de césped de 347 310 m2 es de 1 736.55 m3 – El área de aspersión excesiva es de 43 529 m2 y utiliza 217.65 m3 durante un ciclo normal de 5 mm. – ¿Alguien puede ver qué está mal y qué podríamos estar omitiendo?

40

Riego sencillo

Sistema de cuatro filas, aspersores de círculo parcial en los bordes del césped •

Este hoyo de golf “típico” – Total de aspersores = 82 – Combinación de aspersores de círculo completo y de círculo parcial – La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros – NO hay aspersión excesiva, gracias en parte a que los aspersores de círculo parcial riegan únicamente hasta la línea de césped.



Este campo de golf “equivalente a 18 hoyos” – Total de aspersores = 1476 – La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm sobre todo el campo dentro de la línea de césped de 2 3 347 310 26m26 %es%de 1 736.55 m .

• Otros beneficios

– Mayor uniformidad de cobertura en todo lo ancho del hoyo. – No se aplica agua sobre la vegetación nativa, lo que reduce la maleza y los costos de mantenimiento. – Ahorra hasta 217.65 m3 diarios en un ciclo de riego normal completo, así como la electricidad para bombear el agua.

41

Comparaciones 3 filas contra 4 filas 3 filas

4 filas

Área regada

347 310 m2

347 310 m2

Agua por ciclo de 5 mm

1954.2 m3

1736.55 m3

Ninguno

234 a $400 = $93 600

340 m3/h (115 kW)

272 m3/h (92 kW)

Ahorro en costos de bombeo

Ninguno

23 kWh

Ahorro en costos de estación de bombeo

Ninguno

$40 000

Reducción en el tamaño de la tubería de la línea principal

Ninguno

$31 040

Reducción de conectores de la línea principal

Ninguno

$11 762

Costos adicionales de aspersores Requiere estación de bombeo*

26 %

% inicial neto total Diferencia en 26 el costo

+$10 798

Ahorro total en agua ($)

Ninguno

$33 438

Ahorro anual en electricidad ($)

Ninguno

$2 387

Diferencia en el costo neto total del 1er año * - Calculado para ambos con una ventana de riego de 8 horas

-$25,027 42

Conclusiones

La selección de un sistema de cuatro filas en este caso genera beneficios para todos • 234 aspersores adicionales cuestan $10 798 más pero, en un año, generan un ahorro neto superior a $25 000. • En 10 años, habrían ahorrado $350 000 y seguirían ahorrando $35 000 anuales. • Una cobertura más uniforme en toda el área con césped dará como resultado (1) mejor aspecto estético del césped, (2) condiciones de juego óptimas y (3) mejor salud agronómica. • Al NO haber aspersión excesiva a la vegetación nativa (1) se mantiene el aspecto arquitectónico deseado, (2) se reduce la maleza nativa y (3) se reducen los costos de mantenimiento asociados. • Cada año, el campo podría ahorrar más de 25 000 m3 de agua sin reducir el área de césped o sacrificar el estado del césped. –

10 años: más de 250 000 m3 de agua ahorrados

• Cada año, el campo ahorraría 22 000 kWh en electricidad. –

26 26 % 10 años: 220 000% kWh de electricidad ahorrados

• ¿Cómo debería juzgar o percibir cada grupo los puntos expuestos arriba? – – – –

Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros) Arquitectos Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego Ecologistas y opinión pública 43

Cobertura efectiva e inefectiva

26% 26%

3 Row system – causes scalloped grass lines

4 Row system – full width coverage – great turf!

44

Conclusiones

Diseño con la línea de riego sólida en los límites de césped ¿Qué aprendimos? •



• • •





Malas noticias: los problemas, los costos adicionales y el desperdicio causados por un diseño ineficiente pueden ser peores que lo que uno espera. Buenas noticias: los ahorros obtenidos con un diseño de riego bueno y eficiente pueden generar importantes ahorros en el sistema, en costos operativos (que será amortizado en los próximos años según cada caso). Si Tú logras entender estos conceptos puedes ayudar a tu club a tomar mejores decisiones. Ayude a tu campo a ahorrar dinero cada año. Muéstreles cómo una cobertura más uniforme en toda el área con césped dará como resultado (1) mejor aspecto estético del césped, (2) condiciones de juego óptimas y (3) mejor salud agronómica. Al NO haber aspersión excesiva a la vegetación nativa (1) se mantiene el aspecto arquitectónico deseado, (2) se reduce la maleza nativa y (3) se reducen los costos de mantenimiento asociados. 26 26 %% Demuéstreles a los ecologistas que los sistemas de riego bien diseñados pueden ahorrar cientos de miles de metros cúbicos de agua cada año y cientos de miles de kWh cada año.

45

Avances en tecnología de riego

46

Diseño: ¿una mejor opción? Cálculos sencillos

¡Gracias! 26 26 %%

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