INTRODUCCIÓN

ANTECEDENTES

Una creciente problemática hídrica se está presentando cada día en más regiones del mundo. El agua se está convirtiendo en un recurso escaso y costoso. En vista de esta escasez corresponde a la agricultura –el mayor consumidor de agua- tomar medidas para hacer un uso más eficiente del agua. Generalmente en la agricultura se tienen altos consumos generados por la sobre irrigación, lo cual no sólo genera un desperdicio de agua, sino que también, debido a los agroquímicos disueltos, provoca la contaminación de corrientes de agua superficiales y subterráneas (IMTA, 1995) y en algunas zonas el ensalitramiento de los suelos. Un conocimiento de las necesidades de agua de los cultivos no solo permite un mejor desarrollo para lograr una mayor producción y mejor calidad sino que contribuye también a ahorrar considerables volúmenes de agua (IMTA, 1995b).

A través del tiempo se han desarrollado una gran cantidad de sistemas para la determinación, control y automatización del riego que permiten un consumo de agua más reducido, sin embargo, hasta ahora ninguno de estos sistemas ha encontrado en la práctica una aceptación considerable. Las razones principalmente se deben a la alta demanda de tiempo, trabajo y capacitación para operar y alimentar de datos e información estos sistemas (Águila, 2003). Otra razón radica también en que no se tiene suficiente conocimiento sobre los efectos que estos sistemas tienen sobre el consumo de agua y los rendimientos de los cultivos, así como los costos de un sistema de control de riego de este tipo (Águila, 1997).

En el marco de un proyecto de investigación de doctorado (1999-2003) se desarrolló en la Universidad de Hohenheim, Alemania un sistema de determinación y automatización de riego, con la finalidad de incrementar la eficiencia en el uso de agua. El sistema fue concebido baja las premisas: mejor precisión en las mediciones, completamente automático para facilitar la operación y uso, y relativamente bajos costos de instalación y operación. El sistema se basa en el balance hídrico y en la medición del contenido volumétrico de agua en el suelo. Estos métodos permiten determinar con criterios objetivos cuando y con cuánta agua deben ser abastecidos por medio del riego los cultivos establecidos. Mediante el empleo de modernos equipos electrónicos de medición y procesamiento de datos es posible desarrollar un sistema complejo que comprenda conjuntamente las relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmosfera para lograr mantener en el suelo un nivel óptimo de contenido de agua. La potencialidad de ahorro de agua se concentra principalmente en las posibilidades de reducción de aplicación de agua durante las etapas fisiológicas menos sensibles al stress de agua y en la consideración para el riego exclusivamente del área de las raíces, así como de la disposición de dispositivos de control y equipos de aplicación mejorados para lograr una buena distribución de las láminas calculadas.

El sistema de riego se compone de una estación meteorológica automatizada con datalogger integrado y sensores para medir la temperatura, radiación solar global, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación. Se desarrolló un programa de riego que se encuentra residente en la memoria del dataloger y mediante el cual, entre muchos otros cálculos, se estima la evapotranspiración de referencia (Penman-Monteith) con base en las variables meteorológicas medidas. Además al mismo dataloger se encuentran conectados tres sensores Time Domain Refrectometry para medir directamente el contenido volumétrico de agua en el suelo y un controlador con relevadores para la automatización del equipo de micro aspersores conectados.

Para el desarrollo del software se consideraron dos estrategias de riego independientes entre sí. Una estrategia con base en el criterio de la medición del contenido de agua en suelo comparado con un valor umbral de humedad inferior y otro superior y la otra en base en el balance hídrico climático, considerando modelos con valores dinámicos horarios de coeficiente de cultivo, profundidad de raíz y factor de abatimiento de humedad permisible en función de la etapa fenológica. Para tener un aproximación más acorde a la realidad se generaron para estos modelos curvas a partir de funciones polinómicas.

Debido a la toma de datos separada con que se alimenta el programa de riego desarrollado se garantiza que el sistema desarrollado puede ser empleado bajo condiciones muy diversas de clima, suelos y cultivos.

El sistema de automatización de riego puede funcionar por sí mismo con base en su datalogger, independientemente que se disponga una computadora conectada. El sistema puede ser monitoreado o controlado en linea a través de Internet o con otra Tecnología de Información desde cualquier lugar que se disponga de un dispositivo en red. Durante el proceso de prueba del sistema se monitorearón los estados de todas las variables que intervienen en el programa de riego.

1.2 PLANTIAMIENTO DEL PROBÑEMA

En México, existe una urgente necesidad de crear estrategias para el uso sostenible del agua, basadas en la ciencia y tecnología, incluyendo mejoras técnicas, agronómicas, de gestión e institucionales relacionadas con el ahorro de agua residencial para un desarrollo sostenible. Entonces:

¿Sera viable, económica y rentable la implementación de sistemas de riego automatizados en zonas residenciales?

1.3 MARCO TEORICO

1.3.1 MARCO CONCEPTUAL

Brevemente se describirá el funcionamiento de la propuesta del sistema de riego inteligente que a lo largo de esta investigación estaré llevando a cabo. El sistema de riego inteligente estará integrado por varios componentes los cuales me ayudaran a cumplir con el objetivo que estoy buscando el cual es no descuidar el jardín de una casa o institución pero dándole prioridad al suministro de agua potable dentro del inmueble. El funcionamiento básico de este sistema es mantener una constancia en el riego de un jardín pero para lograr eso se necesitan cumplir ciertas condiciones tales como lo son:

La presión del agua dentro de la tubería. La humedad de la planta. El clima.

El nivel del agua dentro del depósito del inmueble. Estas condiciones solo se cumplirán gracias a la incorporación de sensores que me ayudaran a conocer esos datos tal y como lo son:

Un sensor de lluvia el cual cierra una parte del circuito debido a la capacidad de conducción que tienen el agua.

Un sensor de humedad que toma la conducción de la tierra húmeda. Un sensor el cual tomara la conductividad del agua para así cerrar una

parte del circuito y dará señal de presencia de agua dentro de la toma principal del sistema.

Un flotador electrónico que solo dará señal del nivel del agua en el depósito principal del inmueble.

1.1. El agua.

El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El termino agua, generalmente, se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor. El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04%se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. El agua es un elemento común del sistema solar, hecho confirmado en descubrimientos recientes. Puede ser encontrada, principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el material base de los cometas el vapor que compone sus colas. Desde el punto de vista físico, el agua circula constantemente en un ciclo de evaporación

o transpiración (evapotranspiración), precipitación, y desplazamiento hacia el mar. Los vientos transportan tanto vapor de agua como el que se vierte en los mares mediante su curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45.000 km³ al año. En tierra firme, la evaporación y transpiración contribuyen con 74.000 km³ anuales al causar precipitaciones de 119.000 km³cada año. Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe el 10% restante. El agua potable es esencial para todas las formas de vida, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado durante las últimas décadas en la superficie terrestre. Sin embargo estudios de la FAO, estiman que uno década cinco países en vías de desarrollo tendrá problemas de escasez de agua antes del 2030; en esos países es vital un menor gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego.

1.2. Importancia del agua.

Es bien sabido por todos que el agua es un recurso fundamental e importante para el desarrollo de la vida, lo cual nos hace que tomemos conciencia de su uso adecuado, proteger su utilización y su correcto uso. Pero, mientras que en partes del mundo el agua es muy escaza y millones de personas mueren a falta de este recurso; en nuestro país y porque no decir en muchos países de América, el agua no es tan valorada. Por todo ello, nuestros hábitos de consumo tanto despreocupados como irresponsables, el aumento de la concentración de la población mundial, la contaminación de las fuentes básicas de obtención y otros factores han provocado que muchos expertos en la materia hayan puesto el grito en el cielo cómo uno de los principales focos de preocupación medioambiental.1.3.

El agua en la agricultura.

 La mayor parte del agua se destina a la agricultura, y es utilizada para irrigar los cultivos. La relación directa entre recursos hídricos y producción de alimentos es crítica por tanto para una población humana en constante crecimiento. La irrigación absorbe hasta el 90% de los recursos hídricos de algunos países en desarrollo. La agricultura es un sistema de producción tan antiguo que se ha sabido adaptar a los diferentes regímenes hídricos de cada país: Así, en zonas donde se den abundantes precipitaciones suelen realizarse cultivos de regadío, mientras que en zonas más secas son comunes los cultivos de secano. Más recientemente, y en entornos más adversos, como el desierto se ha experimentado con nuevas formas de cultivo, centradas en minimizar el consumo de agua. En la actualidad una de las vertientes más activas de la investigación genética intenta optimizar las especies que el hombre usa como alimento. También se ha empezado a hablar de agricultura espacial para referirse a los experimentos destinados a difundir la agricultura por otros planetas. Actualmente la agricultura supone una importante presión sobre las masas naturales de agua, tanto en cantidad como en calidad. Así, el

agua que precisan los regadíos supone una disminución de los caudales naturales de los ríos y undescenso de los niveles de las aguas subterráneas que ocasionan un efectonegativo en los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, en España se riegan 3,4millones de hectáreas que supone el 7% de la superficie nacional y emplea el80% de los recursos hídricos disponibles.También el uso de nitratos y pesticidas en las labores agrícolas suponen la principal contaminación difusa de las masas de agua tanto superficial como subterránea. La más significativa es la contaminación por nitratos que produce la eutrofización de las aguas. En España el consumo anual de fertilizantes se estima en 1.076.000 toneladas de nitrógeno, 576.000 toneladas de fósforo y

1.4. Tipos de riego.

El riego es fundamental si estamos pensando en la siembra, en cultivar tomates, fresas o las plantas que fueren. Mediante el riego damos agua al suelo para que las plantas puedan crecer. Existen diferentes tipos de riego. A nivel mundial, el riego consume un alto porcentaje de recursos hídricos. Por ello, actualmente se intenta probar los diferentes tipos de riego existentes con la intención de ahorrar agua sin que ello afecte a la siembra. Existen diferentes sistemas o tipos de riego. Entre los más eficientes y más respetuosos del cuidado del medio ambiente se hallan:

 Cobertura integral: es el tipo de riego más antiguo que se adapta fácilmente en cualquier terreno. El método puedes ser automatizado, móvil o de los que se entierran con un elevador telescópico.

Gota a gota o riego localizado: este tipo de riego arroja el agua con muy baja presión hasta las raíces y hasta distribuir el goteo. Se hace con ayuda de tubos pequeños, dispuestos en el suelo o enterrados. Se riega con mucha precisión pero, fundamentalmente, se hace porque este tipo de riego ayuda a ahorrar mucha cantidad de agua. Además, se limitan las pérdidas por evaporación, dispersión o infiltración. En la actualidad, la gota a gota se utiliza mucho para regar frutas, verduras, cereales, flores o viveros pequeños. Por supuesto, podríamos utilizarlo en nuestros invernaderos pequeños o también en invernaderos caseros.

 

Pulverización o aspersión: son canalizaciones subterráneas que distribuyen el agua a través de las tuberías. Una especie de lluvia fina, riegan las plantaciones proyectando el agua bajo presión. Todos diferentes tipos de riego que ayudan a ahorrar agua y a preservar a nuestro medio ambiente al mismo tiempo que están haciendo posible la vida delas plantas.

 

 

1.5. Riego automático.

El sistema más recomendable para regar un jardín es mediante una instalación de riego automático. Sale un poco más caro que uno con apertura manual de llaves pero vale la pena implementarlo. Las razones son: 1. Puede ser programado para que riegue exactamente los días de la semana que quieras y el tiempo que desees cada vez. Por ejemplo, lunes, miércoles, viernes y domingo, de 7 de la mañana a 7,30.2. Ahorra tiempo y trabajo. No hay que molestarse en abrir ni cerrar llaves, ni cambiar aspersores de sitio.3. El agua se distribuye uniformemente, gracias a los aspersores y difusores bien regulados y fijos.4. Se puede regar por la noche o al amanecer. A esas horas hay menos viento, al Césped le cae mejor puesto que no hace tanto calor, se pierde menos agua por evaporación y además hay más presión en la red.5. El riego automático es apto para todo tipo de emisores: aspersores, difusores, goteo, cintas de exudación, micro aspersores y riego subterráneo. Componentes de un riego automático Programador  El programador lo que hace es dar las órdenes de apertura y cierre a las electroválvulas. Se le indica los días de la semana que hay que regar (por ej. Lunes, miércoles y viernes) y cuánto tiempo cada riego (por ej.: de 6.00 a las6, 20 de la mañana). Electroválvulas Se abren y cierran cuando el programador le da la orden. Por ej., que se abra a las 7'00 horas y que se cierre a las 7'20 horas. Simplemente. Cables Conectan las electroválvulas al programador. Deben ser con doble o triple protección contra humedad. Por su bajo voltaje de funcionamiento (24V), no son peligrosos y no es necesario meterlos en un tubo, sino que se pueden enterrar  junto a las tuberías de riego. Arquetas

En ellas van las electroválvulas. Generalmente son de plástico y las hay individuales o con capacidad para varias electroválvulas. Tuberías de polietileno (PE) o de PVC Para riegos, lo mejor es emplear tuberías de polietileno (PE). El PVC es mucho más incómodo de trabajar. En el caso del PVC las uniones se hacen con un pegamento especial. Las tuberías y accesorios de PE se enroscan rápidamente. Piezas especiales- Codos- Tés- Enlaces- Reducciones, etc... Reductor de presión. Para riego por goteo, muchas veces es necesario reducir la fuerza del agua. Puede hacerse con una simple llave o con un dispositivo llamado reductor depresión. Hay modelos complejos para instalaciones grandes y otros muy sencillos. Emisores de riego- Aspersores- Difusores- Tuberías de goteo- Cintas de exudación- Riego subterráneo- Micro aspersores

1.3.2 MARCO REFERENCIAL

Actualmente existe tecnología disponible para programar el riego

usando un análisis real de factores tales como tiempo, etapa de

crecimiento del cultivo, estrés de agua deseado en la planta, aeración

del suelo, potencial de agua y salinidad del suelo. Todavía en la

mayoría de los casos, el programar sistemas de riego por goteo se ha

limitado a un sistema de interruptor usando el tiempo o volumen de

agua como la variable de control. La computadora es meramente 23

programada para poner en secuencia válvulas solenoide y verificar

razones de flujo y presión, viento, temperatura y otras variables

indirectas. (cr.linkedin.com/in/angelamariasuarezma - Costa Rica).

1.4 JUSTIFICACION

Regar las plantas es una tarea necesaria para que estas se mantengan en el mejor estado posible, pero mucha gente desconoce la cantidad de agua exacta que estas necesitan, de manera que unas veces se riega demasiado, y otras insuficientemente, lo cual acaba perjudicando a la planta.

El nivel de humedad es un factor clave a la hora de regar una planta, pues gracias a él se puede saber si la planta va a necesitar mucha o poca agua, pero el sistema echará la suficiente como para evitar que se deteriore.

La humedad de corte se debe de poder ajustar, pues no todas las plantas necesitan la misma humedad de corte, porque si no se puede ajustar, se corre el riesgo de marchitar la planta. También esto hace que sirva para cualquier planta.

En el caso de que el usuario no se encuentre cerca de las macetas (por ejemplo, un viaje) y quiera consultar la humedad de las plantas, el sistema estará conectado a Internet vía WiFi y monitorizará tanto el estado de la humedad, como si el sistema está funcionando o está en espera.

Se desea implementar un sistema de riego muy novedoso que permita controlar con ayuda de sensores y actuadores al sistema de irrigación por sectores, a su vez comunicar su estado por medio de una alarma en caso de fallo además del proceso de encendido y apagado de las bombas que permiten la irrigación de los jardines.

La necesidad de implementar este proyecto radica en que la mayoría de los sistemas de riego no son inteligentes o automatizados, y los que son presentan costos muy elevados sobre todo para una población de bajos recursos económicos como son nuestros usuarios.

Dicho Proyecto tiene como utilidad proteger los cultivos y mejorar el riego en las plantaciones de difícil acceso, utilizando diferentes recursos como el hardware y software diseñados para la correcta funcionabilidad en el sector implementado y aplicando los diferentes conocimientos adquiridos en la formación académica.

Este proyecto indica directamente, por medio monitoreo de PC y en tiempo real los diferentes procesos que se estarían aconteciendo en los cultivos cuando el sistema de riego esta puesto en marcha, y su fácil operación por parte del usuario.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar y realizar el estudio de viabilidad para la implementación de un sistema automatizado de riego para zonas residenciales y un proyecto técnico, en el que se cree el diseño de un sistema de Riego automático tecnificado y refleje también la descripción de los procesos de la irrigación del terreno residencial.

1.5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar el sistema de toma de información por parte de los sensores de temperatura y humedad del suelo, del suministro de energía para la operación del sistema en los jardines y cuidado de plantas

Diseñar un sistema de control que permita la distribución de agua según el tipo de necesidad, área y condiciones climatológicas del lugar.

Realizar un estudio técnico de costos y financiero para la implementación del sistema de riego automatizado directamente en los jardines y plantas.

Realizar un estudio de mercadeo sobre la comercialización de riegos automatizados en la región, su rentabilidad y procesos derivados.

Distribuir el recurso hídrico eficientemente sobre la parcela con el fin de evitar el riego innecesario.