OPERACIÓN AUTOMÁTICA DE CANALES DE RIEGO David Lozano1, Luciano Mateos2

Resumen El concepto de servicio ha calado en la gestión moderna de redes colectivas de riego. La calidad de este servicio se valora en función de su fiabilidad, su flexibilidad y su eficiencia. Cuando se pretende aplicar este concepto a la operación de redes de canales abiertos, el control automático es un requisito prioritario. En este trabajo se presenta una evaluación mediante simulación hidráulica de alternativas de control automático en un canal real en España. El canal consiste en cuatro tramos separados por compuertas instaladas justo aguas abajo de las respectivas estaciones de bombeo. La longitud del canal es 7.8 km y su caudal de proyecto en cabecera, 5.4 m3s-1. La pendiente del canal es 0.0002. El modelo hidráulico de simulación utilizado en este análisis se basa en las ecuaciones de Saint Venant. El algoritmo de control que se utilizó es el Proporcional-Integral. Primero, hicimos un estudio simple sobre cómo el canal respondería a cambios teóricos de demanda según se utilizara el concepto de control aguas arriba o al concepto de control aguas abajo. El control local aguas arriba que ensayamos en este estudio se aproxima al concepto de control habitual en la zona regable. El otro concepto de control evaluado, control distante aguas abajo, se adapta al riego a la demanda y es adecuado para canales cuya coronación no es horizontal, lo habitual en canales existentes. Segundo, evaluamos la respuesta del canal a demandas reales usando los mismos controladores. El resultado de la comparación de métodos de control en el canal de estudio fue que sólo el control distante aguas abajo es capaz de ajustar las compuertas automáticamente y con la rapidez necesaria para responder a variaciones súbitas o reales de la demanda y hacerlo con la eficiencia deseada.

Palabras clave: canal de riego, control, automatización Automatic control of irrigation canals Resumen The concept of service has rooted in modern management of collective irrigation networks. The quality of the service is measured in terms of reliability, flexibility and efficiency. If these concepts are to be extended to the operation of open canals, automatic control is a must. In this work we present a simulation study that compares various control options for a real irrigation canal. The canal consists of four pools separated by check gates placed just downstream the pumping stations. The canal is 7.8 km long; its design flow, 5.4 m3s-1; and its slope, 0.0002. The hydraulic model used is based on Saint Venant’s equations. The control algorithm used is the Proportional-Integral. Firstly, we evaluated the response of the canal to a theoretical, sudden change in demand assuming upstream or downstream control. The hypothesis of upstream control mirrored common real operations in the canal. Distant downstream control is more adapted to automated, on-demand irrigation for canals with inclined benches. Secondly, we evaluated the response of the canal to real demands. The result was that only distant downstream control would guarantee a totally automatic canal operation with minimal spill losses.

Keywords: irrigation canal, control, automation

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Instituto de Agricultura Sostenible, CSIC, Alameda del Obispo s/n, 14005 Córdoba, España. E-mail: [email protected] 2 Instituto de Agricultura Sostenible, CSIC, Alameda del Obispo s/n, 14005 Córdoba, España. E-mail: [email protected]

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Introducción Mejorar el uso del agua es un reto global. La garantía alimentaria de la población creciente descansa en un aumento sostenido de la productividad del agua (Comprehensive Assessment of Water Management in Agriculture, 2007). En los países más desarrollados de regiones semiáridas y mediterráneas, la competencia por el agua entre sectores económicos, sociales y medioambientales genera conflictos que ponen en entredicho el progreso, el bienestar y la conservación de la naturaleza. De ahí la importancia de la planificación hidrológica en general y de la modernización del regadío en particular. En Andalucía se viene haciendo un enorme esfuerzo público y privado para racionalizar el riego (Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación, 1998; Consejería de Agricultura y Pesca, 2001 y 2008). El concepto de modernización del regadío ha evolucionado durante las dos últimas décadas. Originalmente se entendió como la mera construcción de obras nuevas e instalación de equipos de última generación. Ahora se entiende como la transformación de los fundamentos de la política del riego, orientándola claramente a la mejora del uso del recurso y del servicio provisto a los agricultores. Esta transformación imbrica cambios en las infraestructuras con cambios en la gestión (Renault et al., 2007). La noción de servicio, la que opera en la distribución de electricidad, de agua para uso doméstico, etc., ha calado en la gestión moderna de redes colectivas de riego. La calidad de este servicio se valora en función de su fiabilidad, su flexibilidad y su eficiencia (Merriam, 1987). La fiabilidad de los sistemas de riego es normalmente alta en Andalucía. El cuello de botella se encuentra en la dotación, que queda a merced de la disponibilidad de agua en los embalses. La flexibilidad y la eficiencia del servicio son los dos objetivos principales de los proyectos de modernización. La eficiencia es el objetivo mejor entendido por todos. La flexibilidad es una nueva exigencia, consecuencia, por un lado, de la diversificación de los cultivos y, por otro lado, de la introducción del riego de alta frecuencia. Esta exigencia tuvo hace ya décadas una respuesta de vanguardia: el riego a la demanda (Clément, 1966). Las ventajas del riego a la demanda, claras desde la perspectiva de la flexibilidad, trascienden hasta la eficiencia y la adecuación, entendida ésta última como la satisfacción de los requerimientos hídricos que conducen a rendimiento óptimo de los cultivos. Así las cosas, mientras el riego tradicional funciona sobre la base de obras relativamente simples y la experiencia de los acequieros, el riego moderno se basa en conceptos científicos y técnicas sofisticadas que requieren conocimientos profundos, sea para proyectarlo, sea para gestionarlo. Cuando se pretende extender la flexibilidad de un sistema a la operación de sus canales, el control automático es un requisito prioritario cuyo cumplimiento hace imprescindible el uso de este tipo de conceptos científicos y herramientas de simulación. El punto de partida de la investigación actual en el campo del control y la automatización de canales lo sentó un comité de la American Society of Civil Engineers (ASCE Task Committee on Canal Automation Algorithms, 1998). El trabajo de este

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grupo y otros posteriores (e.g., Clemmens y Shuurmans, 2004; Litrico et al., 2006) han ido desvelando dificultades del control derivadas de la no linealidad del flujo de agua en los canales, de la interacción entre tramos de canal conectados hidráulicamente y de las variaciones de las condiciones reales de operación de los algoritmos de control con respecto a las condiciones en que fueron calibrados. El trabajo que aquí presentamos comenzó con la indagación en los problemas y las oportunidades de futuro de la zona regable Sector BXII del Bajo Guadalquivir. En el BXII, como se denomina comúnmente esta zona regable, concurren buena parte de los elementos que caracterizan a las zonas regables de Andalucía. Al iniciar este trabajo, el BXII estaba embarcado en un proyecto de modernización. Analizamos la operación del sistema de riego, su mantenimiento, su administración…, y recurrimos a métodos, instrumentos y herramientas, unas veces ya existentes, otras veces de concepción propia, para investigar las posibilidades de mejorar esos procedimientos. En un taller anterior de la Red de Riegos de CYTED, discutimos la utilidad y las limitaciones de SIMIS como sistema de ayuda para la toma de decisiones en la mejora de esta zonas regable (Lozano y Mateos, 2007). En esta comunicación presentamos los aspectos del trabajo relacionados con la automatización de la operación y el control de los canales del BXII. Comenzamos por tanto con unas pinceladas sobre conceptos fundamentales del control de canales, seguimos con la descripción del canal piloto y con la metodología empleada, explicamos las opciones de control ensayadas y recomendadas, y terminamos con un análisis de la sensibilidad de los controladores a las variaciones que ocurren en el canal debido a la proliferación de algas. Control automático de canales de riego Hay dos lógicas de control de canales (Buyalski et al., 1991): control aguas arriba (Fig. 1a) y control aguas abajo (Figs. 1b and 1c), refiriéndose cada una a la localización del punto donde se obtiene la información que requiere el controlador con respecto a la localización de la estructura de control (una compuerta, normalmente). Con control aguas arriba, los movimientos de la estructura de control se hacen de acuerdo a medidas hechas aguas arriba de esta estructura (Fig. 1a). Por tanto, el concepto de control aguas arriba es adecuado para sistemas regidos primariamente por el suministro. Con control aguas abajo, los movimientos de la estructura de control se basan en información proveniente de aguas abajo de esa estructura (Figs. 1b y 1c). El control aguas abajo transmite las demandas hacia la fuente de cabecera, por lo que es apropiado para el sistema de riego a la demanda. El control aguas abajo puede ser local o distante. En el primer caso, el sensor que obtiene la información está ubicado junto a la estructura de control (Fig. 1b); en el segundo, el sensor se ubica al final del tramo aguas abajo de la estructura de control (Fig. 1c). La operación de los canales consiste en regular los niveles de agua canal de acuerdo con el concepto de control elegido. Concretamente, las dos formas principales de operar un canal son haciendo pivotar la superficie libre del agua manteniendo fijo el calado al inicio o al final de cada tramo (Buyalski et al., 1991). La operación convencional de los canales consiste en mantener constante el calado en el punto final de cada tramo. Es la operación propia del control local aguas arriba. Sin embargo, esta es la forma de operación también para el control distante aguas abajo. Como se ve en las Figura 1a y 1c, el perfil de la superficie del agua pivota alrededor de un calado prescrito en el extremo final del tramo; por tanto, las tomas de agua deben

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estar en ese extremo. Así podrán funcionar en condiciones de máxima capacidad y con descarga bastante estable gracias a un calado relativamente constante en el canal. Por otro lado, con flujo permanente el calado a lo largo del canal no supera el calado normal utilizado en el proyecto para calcular las dimensiones del canal. Es decir, la capacidad del canal puede utilizarse en su totalidad. a) Local aguas arriba

Qmax Q=0

Q Toma

b) Local aguas abajo

Qmax Q=0

Q Toma

c) Distante aguas abajo

Q=0 Qmax Q Toma

Fig. 1. Lógicas de control

En cambio, con la operación del canal manteniendo constante el calado en el inicio de los tramos, el perfil de la superficie del agua pivota alrededor de ese calado. Este método de operación va asociado al control local aguas abajo (Fig. 1b). Con este método, la coronación del canal tiene que ser horizontal, para albergar el agua cuando el flujo es nulo. Pero construir un canal con la coronación a nivel es costoso, y recrecer los paramentos de un canal existente para conseguir una coronación horizontal será

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normalmente inviable. Además, las tomas de agua en este caso deberían localizarse en el extremo inicial de cada tramo. Cuando cambios en las compuertas conducen a un nuevo flujo permanente, el agua almacenada en los tramos difiere en un volumen en forma de cuña (Fig. 1). Si el canal se opera según el concepto de control aguas arriba manteniendo constante el calado en el extremo final de los tramos, el volumen de agua almacenado en los tramos cambia en el mismo sentido que los cambios de caudal (Fig. 1a). Así, la tendencia del perfil superficial del agua es la deseada para que el calado prescrito en el extremo final de los tramos se mantenga constante. Más dificultoso es acomodar el control aguas abajo con un perfil de la superficie del agua que pivote en el extremo inicial de los tramos. En este caso, la tendencia del perfil de la superficie de agua como respuesta a un cambio de caudal es la contraria a la deseada para mantener constante el calado en el extremo inicial de los tramos (Fig. 1c). Por lo tanto, para conseguir los cambios buscados en los niveles del agua, el caudal de entrada deberá incrementarse (aumentarse o disminuirse) inicialmente en una magnitud superior al cambio ocurrido en la demanda. A continuación, un incremento gradual en sentido contrario al inicial conducirá al nuevo perfil de flujo permanente. Por ultimo, aunque el control local aguas arriba permite regular automáticamente el nivel del agua en el canal, en la entrada del canal aún es necesaria intervención manual. La operación queda por tanto a merced de la pericia del operario. G1

G2

Cota relativa (m)

103

Sensor de nivel de G3 agua

G4 Coronación

102 Tramo I

101

Tramo II

100 EB I

99

Solera

Tramo III

EB II

Sensor de abertura de compuerta

Tramo IV

EB III

EB IV

98 Sifón

97 96 95 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000 8000

Distancia desde cabecera del canal (m)

Fig. 2. Esquema del canal B de la zona regable Sector BXII del Bajo Guadalquivir

Materiales y métodos El canal B de la zona regable Sector BXII del Bajo Guadalquivir El canal B del BXII consiste en tres tramos separados por compuertas (Fig. 2). Las estaciones de bombeo (construidas sobre el canal) tienen sus bombas justo aguas arriba de estas compuertas (nombradas EB I a EB IV en la Figura 2). El canal, revestido con hormigón, tiene 7.8 km de longitud. La longitud de cada uno de sus tramos es 1.320, 2.155, 2.170, y 2.144 m, respectivamente, y los caudales de proyecto, 5,4, 4,5, 3,35 y 1,98 m3s-1, respectivamente. La sección transversal del canal es trapezoidal, se reduce y transforma gradualmente en la proximidad de las estaciones de bombeo, hasta hacerse rectangular, y recupera la forma trapezoidal 25 m aguas debajo de las compuertas de

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separación de tramos. En sus porciones trapezoidales, la inclinación de las paredes es 2 horizontal: 1 vertical, la anchura de la solera es 1 m y la profundidad es 2, 1,85, 1,6 y 1,35 m en los tramos uno a cuatro, respectivamente. Los primeros 89 m del primer tramo tienen sección transversal rectangular (2.5×2.4 m) y pendiente de la solera 0.00058. La pendiente de la solera del resto del canal es 0.0002. En el cuarto tramo hay un sifón que salva un dren. Justo aguas arriba de cada compuerta de separación de tramos hay un aliviadero. El canal se ha venido operando manualmente. Dos operarios, “bomberos” en el argot local, se encargan de las estaciones de bombeo y de las compuertas buscando atender los cambios de demanda. Esta operación es trabajosa y a veces ineficiente, de ahí el empeño de la zona regable por automatizar el control del canal. Para el estudio del comportamiento del canal, instalamos sensores del nivel del agua aguas arriba y aguas debajo de cada compuerta y sensores de abertura de las compuertas. Tanto unos sensores como otros son del tipo ultrasónico. Las medidas se guardaron cada 3 minutos en un sistema electrónico de almacenamiento de datos. Modelo de simulación y algoritmo de control El modelo hidráulico de simulación utilizado en este análisis fue desarrollado por CEMAGREF, Francia, y se denomina SIC (Malaterre y Baume, 1997). Este modelo se basa en las ecuaciones de Saint Venant para flujo variable. El algoritmo de control que se utilizó se denomina Proporcional-Integral (PI). Este es un algoritmo clásico que recientemente ha re-ganado aceptación en el campo del control de canales (e.g., Litrico et al., 2007). El algoritmo PI hace que la abertura o cierre de las compuertas responda al desvío de la variable controlada (nivel del agua) con respecto al valor prescrito. La respuesta es proporcional a la magnitud del desvío y proporcional a la integral del desvío durante un período de tiempo dado previo a la acción de control. Resultados y discusión Para estudiar el control del, primero hicimos un estudio simple sobre cómo respondería a cambios teóricos de demanda según se utilizara el concepto de control aguas arriba o al concepto de control aguas abajo. El control local aguas arriba que ensayamos en este estudio se aproxima al concepto de control habitual en la zona regable, excepto que lo consideramos con la hipótesis de operación automática. Esta hipótesis no puede extenderse a la compuerta de cabecera, lo que impide la automatización total, como ya se ha dicho anteriormente. El resultado de la comparación de métodos de control en el canal de estudio fue que sólo el control distante aguas abajo es capaz de ajustar las compuertas automáticamente y con la rapidez necesaria para responder a variaciones súbitas o reales de la demanda y hacerlo con la eficiencia deseada. La Figura 3 ilustra este resultado con la respuesta del flujo a un incremento de la demanda en la estación de bombeo (EB IV, mientras que la demanda en las otras estaciones no varía (Fig. 3a). La respuesta del flujo de entrada es automática si el control es distante aguas abajo (trazo gris en la Fig. 3b). Si el control es aguas arriba, hay múltiples respuestas posibles que dependen del retraso del operario en su respuesta y de la magnitud del cambio decidido por el operario. La Figura 3b muestra tres posibilidades, representadas con trazo negro. En la Fig. 3c se observa que el nivel del agua en la cola del canal recupera enseguida el nivel prescrito cuando el control es

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Demanda EB (m3/s)

distante aguas abajo; si el control es aguas arriba, se presenta un caso en que ni siquiera pudo recuperarse el nivel prescrito. Por último, la Figura 3d representa los hidrogramas de rebose para cada opción de control. Se observa que el rebose fue mínimo en todos los casos excepto en una de las operaciones con control aguas arriba. 1.6

EB I EB III

EB II EB IV

(a)

1.2 0.8 0.4

Cudal de entrada (m3/s)

00

Desviación del nivel del agua (m)

04 06 Tiempo (horas)

08

10

4.0 Abajo Arriba-2

3.5

Arriba-1 Arriba-3

(b)

3.0 2.5 2.0 00

02

04 06 Tiempo (horas)

08

10

0.2 (c)

0.0 -0.2 -0.4 00

Descarga del aliviadero (m3/s)

02

02

04 06 Tiempo (horas)

08

10

0.3 (d)

0.2 0.1 0.0 00

02

04 06 Tiempo (horas)

08

10

Fig. 3. Control local aguas arriba y distante aguas abajo en respuesta a un cambio súbito de demanda en la estación de bombeo EB IV con cuatro supuestos de operación: (a) caudal de salida en las estaciones de bombeo, (b) canal de entrada, (c) desviación del nivel del agua (cola del tramo IV), (d) rebose.

Un ejemplo parecido pero basado en hidrogramas reales de demanda en las estaciones de bombeo es el que se presenta en la Figura 4. En la Figura 4a se representan los hidrogramas de demanda de las estaciones de bombeo y en la Figura 4b, la respuesta del flujo de entrada con control distante aguas abajo y tres posibilidades de control manual aguas arriba (que, como en el ejemplo anterior, difieren en el retraso del operario en su

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respuesta y en la magnitud del cambio decidido por el operario). La Figura 4c muestra que el nivel del agua en la cola del canal se mantiene próximo al nivel prescrito cuando el control es distante aguas abajo. Sin embargo, si el control es aguas arriba, el desvío y las fluctuaciones de este nivel es mayor, observándose incluso un caso en el que ni siquiera pudo recuperarse el nivel prescrito. Por último, la Figura 4d representa los hidrogramas de rebose para cada opción de control. Se observa que el rebose fue mínimo con control distante aguas abajo y variable dependiendo de la actuación del operario cuando el control es aguas arriba. Demanda EB (m3/s)

1.6 EB I EB III

EB II EB IV

(a)

1.2 0.8 0.4 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 Tiempo (horas)

Caudal de entrada (m3/s)

4.0 Abajo Arriba-1 Arriba-2 Arriba-3

3.5

(b)

3.0 2.5 2.0

Desviación del nivel del agua (m)

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 Tiempo (horas) 0.2

(c)

0.0

-0.2 -0.4

Descarga del aliviadero (m3/s)

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 Tiempo (horas) 0.3

(d)

0.2 0.1 0.0 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 Tiempo (horas)

Fig. 4. Control local aguas arriba y distante aguas abajo en respuesta a cambios reales en las estaciones de bombeo con cuatro supuestos de operación: (a) caudal de salida en las estaciones de bombeo, (b) canal de entrada, (c) desviación del nivel del agua (cola del tramo IV), (d) rebose.

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Pero ciertas observaciones de lo que ocurre en la práctica en el canal de estudio levantaron nuevas preguntas. Tras la construcción de la balsa de Melendo en 2003, un fenómeno hasta entonces desconocido apareció en la zona regable. La claridad del agua en la balsa, tras la sedimentación de las partículas finas que bajan por el canal principal, permitió el crecimiento de un alga, Rhizoclonium hieroglyphicum, que dificulta el flujo en el canal y obtura emisores de agua en las parcelas. Los gestores del canal consiguen controlar parcialmente el crecimiento de esta alga mezclando agua de la balsa, clara, con agua del canal principal, turbia. Sin embargo, esto no es siempre posible o se hace con retraso, por lo que el problema generado por R. hieroglyphicum es recurrente (Fig. 5). Nuestro objetivo fue por tanto estudiar la sensibilidad del control del canal a variaciones del coeficiente de aspereza de Manning (n) que, entre otros factores, puede provocar el desarrollo de algas en los canales. De nuevo, este estudio lo abordamos haciendo simulaciones con SIC asumiendo que el coeficiente n puede tomar distintos valores a lo largo de la campaña de riego. La conclusión fue que el control del canal es efectivamente muy sensible a variaciones de n con respecto al valor asumido para la calibración de los parámetros del algoritmo de control. Si estos parámetros se calibran asumiendo que n se mantiene como en el canal recién construido, un pequeño aumento de su valor, debido, por ejemplo, a la proliferación de algas, desestabilizaría el control. Por tanto, la recomendación es calibrar los parámetros del algoritmo de control asumiendo un valor de n entorno al esperable (o ligeramente superior) en el funcionamiento normal del canal. 0.034 Tram o I Tram o II Tram o III Tram o IV

0.031

Manning n

0.028 0.025 0.022 0.019 0.016

30/03 09/04 19/04 29/04 09/05 19/05 29/05 08/06 18/06 28/06 08/07 18/07 28/07

0.013

Fig. 5. Variación del parámetro n de Manning a lo largo de la campaña de riego en cada uno de los cuatro tramos del canal.

Conclusiones Hay un mensaje que se desprende de este trabajo y que tiene un interés general para la modernización de los regadíos en España: la transformación de las redes de acequias en redes de tuberías a presión con suministro de agua a la demanda es loable, pero debe ir acompañada de la implementación de un sistema de control y automatización del canal principal y de un estudio exhaustivo de su capacidad para responder al riego a la

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demanda. De lo contrario, fácilmente se encontrará que el cuello de botella se ha desplazado al canal principal donde normalmente se instalan las estaciones de bombeo. Otros resultados y conclusiones de este trabajo son: -

El modelo hidráulico SIC es una herramienta excelente para investigar métodos de control automático de canales.

-

El resultado de la comparación de métodos de control en el canal de estudio fue que sólo el control distante aguas abajo es capaz de ajustar las compuertas automáticamente y con la rapidez necesaria para responder a variaciones súbitas o reales de la demanda y hacerlo con la eficiencia deseada.

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El control de canales es muy sensible a variaciones en la aspereza del canal. Los parámetros del algoritmo de control deben calibrarse asumiendo un valor de n entorno al esperable (o ligeramente superior) en el funcionamiento normal del canal.

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