Modelado, simulación y control del uso del agua en la agricultura

Abstract

La agricultura en Europa, y más concretamente en regiones periféricas como Andalucía, supone un elemento fundamental para el desarrollo económico, especialmente en las zonas rurales, actuando como elemento vertebrador y de cohesión tanto a nivel social como productivo. Dentro de las innumerables limitaciones con las que se encuentra el agricultor, la disponibilidad de agua es quizá una de las más determinantes, no sólo desde el punto de vista de la disponibilidad, sino también de la incertidumbre que genera un contexto de cambio climático global con una creciente demanda que amenaza con sobrepasar los recursos disponibles. Esta incertidumbre resulta patente tanto en los sistemas productivos de secano como en los de regadío, presentándose como necesaria la introducción de diferentes herramientas y modelos que permitan alcanzar una gestión más eficiente y sostenible de los recursos hídricos, además de la posibilidad de plantear distintos escenarios futuros y elaborar respuestas adecuadas adelantándose a los acontecimientos.

El presente trabajo de tesis doctoral ofrece diferentes enfoques de la problemática de la escasez de agua, en base a: i) la introducción de diferentes sensores que posibiliten el modelado y control del sistema Agua-Suelo-Planta-Atmósfera al ofrecer medidas de distintas variables de los componentes del sistema. ii) el planteamiento de modelos matemáticos y computacionales que permitan una caracterización y representación de una realidad compleja como es el citado sistema. iii) la propuesta de varios sistemas de planificación y control automático de distintas variables de interés (el contenido de agua, su productividad, la producción del cultivo y otras variables relacionadas con la fisiología del cultivo).

Para ello, los trabajos experimentales se han desarrollado en un sistema de agricultura extensiva de secano, representativa de casi un 70% de los agro-ecosistemas andaluces, y en dos cultivos leñosos de regadío que cuentan con una elevada presencia en nuestra Comunidad Autónoma: el cultivo de cítricos y el del almendro. A partir de los resultados obtenidos se puede concluir que es posible encontrar representaciones matemáticas relativamente sencillas de procesos naturales muy complejos y aparentemente caóticos. Estas representaciones han permitido en gran medida modelar el comportamiento del agua en el suelo en condiciones de secano, y comprobar que dichos modelos eran capaces de recoger las características inherentes de cada sistema, como por ejemplo el sistema de laboreo empleado, la profundidad del horizonte radicular o las propiedades físicas del medio. Por otra parte, en cuanto a los sistemas de regadío, los modelos obtenidos permiten extraer conclusiones no sólo sobre la influencia del aporte de agua en la producción final de los cultivos, sino también sobre la capacidad de adaptación de dichos cultivos a situaciones prolongadas de escasez. Estos modelos permiten a su vez discriminar el potencial efecto de un determinado nivel de estrés hídrico sobre los diferentes periodos fenológicos del cultivo; además, permiten concluir que el tiempo necesario para la adaptación de un cultivo y la estabilización de sus producciones a una situación prolongada de estrés hídrico depende tanto del tiempo como del nivel de estrés aplicado a lo largo de sucesivas campañas.

Asimismo, los modelos hacen posible la planificación a largo plazo de estrategias de riego deficitario y sistemas de control automático para optimizar la implementación de dichas estrategias y maximizar los valores de producción final. En este sentido, se propone el empleo de técnicas clásicas de control como los controladores Proporcional-Integral-Diferencial o control mediante observador por filtro de Kalman.

Teniendo en cuenta el conjunto de resultados obtenidos en este trabajo, se puede concluir que el empleo de técnicas de ingeniería de modelado, simulación y control resulta una alternativa viable para el mundo agrícola, y que sin duda puede ofrecer respuestas a las diferentes problemáticas del sector.

Agriculture in Europe, and especially in peripheral regions like Andalusia, is a foundation for economic development, especially in rural areas, acting as the backbone and cohesion element for society and economy. Among the many constraints the farmer finds himself under, water availability is one of the most, not just in regard to availability, but also to the uncertainty generated by a context of global climate change and a growing demand that threatens to overcome the available resources. This uncertainty is apparent both in rain fed and irrigated production systems, stating the necessity of introducing different tools and models to achieve a more efficient and sustainable management of water resources, raising the possibility of different future scenarios and the development of appropriate responses beforehand. The present Ph.D. Thesis offers different approaches to the problem of water scarcity, based on: i) the introduction of different sensors that makes possible the modelling and control of the Water-Soil-Plant-Atmosphere system through providing information about several variables and system components. ii) the approach to mathematical and computational models that allow the characterization and representation of complex realities as the abovementioned model. iii) the proposal of different planning and automatic control systems for several variables of interest (water content, productivity, crop production and other variables related to the crop physiology).

In order to fulfill this objective, experimental work was developed in an extensive rain fed agricultural system, which represents almost a 70% of the andalusian agro-ecosystems and in two woody irrigated crops with a high presence in our region: citrus and almond trees. From the results obtained it can be concluded that it is possible to find simple mathematical representations of complex and seemingly chaotic natural processes. These representations allowed to model the behaviour of soil water under rain fed conditions and to attest that those models were able to take into account the system inherent characteristics, such as the tillage system used, the depth of the root horizon or the soil physical properties. Moreover, in terms of irrigation systems, the obtained models allow to reach conclusions not just regarding the influence of water intake in the crop final production but also the crop adaptability to prolonged shortages. These models make possible to discriminate the potential effect of a given water stress level during different phenological stages; they also support the conclusion that the time needed by the crop to adapt itself and stabilize its production under prolonged water stress situations depends both on the time and the applied level of stress in the successive campaigns.

The models also enable long-term planning of deficit irrigation strategies and automatic control systems to optimize the implementation of these strategies, thus maximizing the final productive value. In this regard, the use of conventional control techniques such as Proportional-Integral-Differential regulators and control using a Kalman filter observer are proposed.

From the obtained results, it can be concluded that the use of engineering techniques as modelling, simulation and control is a viable option for the agricultural world and it can certainly provide answers to several problems of the sector.