Los problemas de escasez de agua se resuelven con el riego agrícola avanzado

En la última década, los controles del riego agrícola se han vuelto cada vez más sofisticados. En la actualidad, muchos agricultores han sustituido los tradicionales temporizadores de riego y reguladores hidráulicos por componentes avanzados de control y conectividad adaptados a los de las aplicaciones industriales, incluidos los sistemas que emplean controladores lógicos programables (PLC), PC industriales y componentes de automatización cada vez más económicos con capacidad para conectarse con los protocolos de comunicación industriales habituales y aprovecharlos. Estos controladores y componentes pueden aceptar entradas de fuentes como sensores de humedad del suelo, estaciones meteorológicas y sensores de congelación para dar respuestas adaptativas de agricultura digital en tiempo real.

Y lo que es más, estos sofisticados sistemas de control del riego son ahora más asequibles... incluso cuando el uso de datos para optimizar el riego se ha vuelto cada vez más inteligente.

Figura 1: Toro, empresa de equipos de jardinería y automatización agrícola, vende sistemas de riego Tempus Automation que aprovechan la conectividad 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. La estación base permite a los agricultores controlar las válvulas y los dispositivos de supervisión dentro de una burbuja de hasta 1.6 km. Se pueden añadir fácilmente estaciones base para ampliar el alcance; todas pueden funcionar con energía solar o por cable. (Fuente de la imagen: The Toro Co.)

La conservación del agua es cada vez más imperativa a medida que la temperatura se calienta, las regiones se vuelven más áridas, la población aumenta y los acuíferos se agotan. De hecho, el agua podría convertirse pronto en el principal recurso crítico que adquirirá más importancia geopolítica que el petróleo en el siglo XXI, quizá incluso desencadenando las guerras del futuro. Los problemas relacionados con el agua son ya antiguos en Oriente Medio. Esta región se ha ido volviendo progresivamente más árida desde el nacimiento de la civilización y ahora sustenta al 5% de la población mundial con solo el 1% del agua dulce del planeta.

Figura 2: El riego de invernaderos y de cultivos en hilera al aire libre basado en sistemas de microaspersión y otros métodos de goteo se beneficia de los controles de riego avanzados. (Fuente de la imagen: Getty Images)

Desde el punto de vista empresarial, la escasez de agua se refleja en el aumento de los precios de los alimentos y los productos agrícolas, y en la última década los precios del agua han subido más rápido que los de la energía. Para ser claros, minimizar el consumo de agua y maximizar el rendimiento de los cultivos se ha convertido en algo esencial tanto para las operaciones comerciales a gran escala como para las nuevas operaciones agrícolas.

Mecanismos de riego y cultivo controlables

Los requisitos de los controladores de riego dependen de la aplicación y del tipo de sistema, ya sea que se base en aspersores, riego por goteo o circuitos de riego hidropónico.

Figura 3: Los sensores de dióxido de carbono de la serie T3000 tienen receptáculos conforme a IP67 para resistir la humedad, la suciedad y la exposición a los fertilizantes en las explotaciones agrícolas verticales de interior. Sus comentarios pueden servir de base para rutinas automatizadas de riego hidropónico y fertirrigación. (Fuente de la imagen: Amphenol Telaire)

El riego de los cultivos en invernadero puede controlarse de forma muy estricta; sin la variabilidad del entorno exterior, las composiciones óptimas de luz, agua, fertilización y suelo pueden mantenerse dentro de unos márgenes de tolerancia. El riego se basa siempre en un depósito ocupado por una bomba y un circuito de riego basado en bandejas... con una pérdida de agua por evaporación casi nula y ninguna por escorrentía. Abundan las opciones de software para cultivos específicos; estos programas incorporan los conocimientos de la industria sobre los ciclos de crecimiento de las especies vegetales y los parámetros de cultivo preferidos.

Figura 4: La carcasa IP67 hace que las luces WIL sean especialmente adecuadas para aplicaciones de cultivo digital en interiores. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

En la agricultura tradicional de exterior, los aspersores son los equipos de riego más utilizados, con diseños que van desde los pequeños aspersores de césped (similares a los que emplean los propietarios de viviendas en el césped) hasta los aspersores industriales de alta presión accionados por bombas de motor eléctrico o diésel. Estos últimos incluyen sistemas masivos de linealización capaces de regar campos abiertos de muchas hectáreas con sus grandes matrices de aspersores.

Otro diseño habitual en los sistemas de riego automatizados para grandes explotaciones son los aspersores de impacto. También se venden variaciones simplificadas de éstos como productos de consumo para el riego del césped. En resumen, los aspersores de impacto constan de un conjunto de cabezal que envía un chorro de agua a través de un brazo mecánico. Esta agua es golpeada repetidamente por el brazo y esparcida sobre el cultivo. La presión resultante y el movimiento del brazo mecánico empujan el cabezal alrededor de un pivote, lo que a su vez hace que el aspersor barra a través de un círculo o arco parcial.

Una última opción para la automatización del riego de los cultivos agrícolas es el riego por goteo. Tanto si se basa en las denominadas matrices de tuberías con fugas como en matrices de cabezales de microaspersión, el riego por goteo reduce el consumo de agua (y especialmente la que se pierde por evaporación) al hacer llegar el agua más directamente a las zonas radiculares de las plantas.

Más sobre riego agrícola con pivote central y movimiento lineal

El riego por pivote central es una adaptación avanzada del riego por aspersión. Es una de las formas más eficaces de regar grandes extensiones de terreno, y los sistemas típicos del sector pueden cubrir un radio de 400 metros en una superficie de hasta 50 hectáreas (125 acres) aproximadamente. Los sistemas de riego con pivote central riegan un arco circular o parcial mediante la rotación de una tubería de riego (con muchos aspersores) alrededor de un pivote fijo. La tubería es transportada por varias torres que se desplazan por el suelo mediante ruedas motorizadas.

Figura 5: Los controles de temporización se utilizan con sistemas de riego de pivote central para controlar los programas básicos de riego. Además, los monitores de subcorriente suelen supervisar un tramo de los sistemas trifásicos en las torres de los sistemas de riego de pivote central. Estos monitores de subcorriente detectan las torres atascadas para evitar el riego excesivo. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Entre las torres, la tubería de agua se sostiene mediante una armadura que utiliza cables como elementos tensores, muy similar a los soportes de un puente colgante. Desarrollados en la década de 1940, los sistemas de riego de pivote central originales utilizaban el flujo de agua para accionar las ruedas. Hoy en día, es mucho más habitual que estos equipos utilicen motores eléctricos para hacer girar sus ruedas de propulsión. La velocidad de estas ruedas puede ser bastante lenta, ya que los controles del sistema pueden tardar varios días en dar una vuelta completa a las ruedas.

Figura 6: El software AgSense (al que se puede acceder a modo de app a través de dispositivos móviles y computadoras portátiles) aprovecha las tecnologías GPS y de retroalimentación para ayudar a los agricultores a hacer un seguimiento de la bomba de riego y los componentes auxiliares; los estados de caudal y presión; los niveles de humedad del suelo; las condiciones meteorológicas; los niveles de los depósitos (cuando proceda); y las pruebas de robo. Una opción líder para sistemas automatizados de pivote-riego (aunque también es compatible con máquinas lineales) que ofrece información y alarmas en tiempo real e incluso permite gestionar una flota mixta de pivotes hidráulicos y eléctricos. Esencialmente, el software permite las funcionalidades de los paneles digitales al tiempo que mantiene la compatibilidad con los paneles mecánicos de cualquier marca o antigüedad. (Fuente de la imagen: Valmont Industries Inc.)

Los sistemas de riego por pivote son máquinas grandes y sorprendentemente complejas que presentan sus propios retos de control de distritos. Las torres no se mueven al unísono, sino que se detienen y arrancan individualmente para mantener la alineación aproximada de la tubería. La considerable flexibilidad del tubo, junto con la de las cercas que lo sostienen, se adapta al movimiento irregular de las torres y a las ondulaciones naturales del terreno.

En los sistemas de riego por pivote, las secciones de la torre se controlan individualmente. Tradicionalmente, esto se consigue con mecanismos sencillos e interruptores de fin de carrera. Cada sección puede detectar fácilmente su ángulo con respecto a la sección siguiente controlando la posición de una palanca fijada a la sección siguiente. Los interruptores de fin de carrera simples pueden entonces arrancar, parar e invertir las ruedas, según la posición angular relativa de la siguiente sección de la torre. Este enfoque es adecuado para el control hidráulico simple con ruedas accionadas hidráulicamente.

Una pistola pulverizadora en el extremo de la torre de pivote central más exterior puede ampliar la zona regada más allá de la estructura física. Si funciona de forma continua, la zona seguirá siendo circular. Sin embargo, controlando el cañón, es posible regar una región aproximadamente cuadrada utilizando un sistema de riego de pivote central.

(Fuente del vídeo: UNL Biological Systems Engineering)

Los sistemas de riego de movimiento lineal, que también emplean aspersores, son similares a los sistemas de pivote central. Sin embargo, las secciones de la torre no se desplazan en arco alrededor de un pivote fijo. En cambio, se mueven hacia delante y hacia atrás en línea recta. Esto significa que los sistemas de riego de movimiento lineal cubren un área rectangular en lugar de circular. Una zona de cobertura de este tipo puede adaptarse mejor a los sistemas de campo existentes y proporcionar una cobertura del terreno más completa. Sin embargo, también dificulta el control de las torres accionadas y el control del agua de suministro.

Figura 7: Se trata de un diseño de riego de movimiento lineal. Los sistemas automatizados que emplean estos equipos mecánicos abordan los difíciles retos del riego de exteriores. (Fuente de la imagen: Getty Images)

En algunos diseños, el agua se suministra por un canal abierto a lo largo de un borde de la zona de regadío o (en disposiciones alternativas) mediante mangueras flexibles. Las torres de estos sistemas de riego de movimiento lineal deben coordinar sus velocidades para mantener la tubería razonablemente recta, y las torres deben girar juntas para que el sistema avance y retroceda continuamente por el campo sin desviarse. Para cumplir estos requisitos, algunas torres están programadas para seguir cables enterrados.

Controladores de riego agrícola

Los programadores de riego más sencillos no son más que temporizadores que permiten el libre flujo de agua a horas preestablecidas. Estos temporizadores también se encuentran en los aspersores de césped de consumo.

Un poco más sofisticados son los programadores de riego industrial. Tradicionalmente han adoptado la forma de sistemas de control hidráulico... y a menudo se combinan con regadores de pivote central.

Hoy en día, muchos controles de riego industrial más avanzados utilizan PLC estándar. Además de controlar el movimiento de grandes regantes, como los basados en equipos de riego de movimiento lineal, estos controladores lógicos programables (PLC) pueden configurarse para aceptar entradas de sensores de humedad del suelo, sensores de caudal, estaciones meteorológicas y sensores de congelación. Algunos de estos sistemas ya están al alcance de pequeñas explotaciones agrícolas (tanto en el sector frutícola como en el de la agricultura inteligente de interior) que utilizan controladores como el Arduino para automatizar el riego de plantas e invernaderos.

Figura 8: NETBEAT NetMCU es un ejemplo de controlador de riego comercial integrado; de hecho, este robusto producto ejecuta una serie de tareas de fertilización, fertirrigación, modelado de cultivos y previsión para una completa solución de agricultura digital. (Fuente de la imagen: Netafim)

Los programadores de riego automatizados pueden medir el caudal para garantizar el suministro de una cantidad de agua medida, en lugar de una cantidad arbitraria suministrada durante un tiempo preestablecido. Al suministrar una cantidad de agua conocida para una superficie de suelo determinada, se pueden conseguir unas condiciones de cultivo ideales sin desperdiciar agua. El control del caudal también permite detectar obstrucciones y fugas, alertando a los operarios de los problemas antes de que se produzcan daños importantes en los cultivos o pérdidas de agua. Gracias a los protocolos de IoT, los controladores modernos pueden incluso enviar alertas al teléfono móvil del operador cuando se producen estos eventos.

Figura 9: Los componentes de control automatizado y E/S de RevPi se construyen en torno a la variante Compute Module del miniordenador Raspberry Pi SoM/CPU/GPU de placa única. Las últimas variantes de RevPi incorporan señales analógicas útiles para determinados enfoques de control del riego de cultivos. (Fuente de la imagen: KUNBUS)

Otra opción de vanguardia para algunos agricultores son los controladores de evapotranspiración o ET. Estas estiman las necesidades de agua basándose en los principios del equilibrio suelo-agua.

La hidrología agrícola estudia el equilibrio hídrico, pero en su aspecto más fundamental, las entradas de agua deben ser iguales a las salidas más el cambio en el almacenamiento. Los flujos de salida están formados por el caudal de los arroyos (escorrentía) y la evapotranspiración, es decir, el movimiento del agua hacia la atmósfera por evaporación y transpiración a través de la vegetación.

Los controladores de la evapotranspiración necesitan datos en tiempo real sobre los flujos de entrada (caudal de riego y precipitaciones) y los parámetros ambientales que afectan a la evapotranspiración, como la temperatura, la humedad y la irradiación solar. Los parámetros clave que requieren un control estricto mediante un controlador de ET (a menudo un controlador de automatización adaptado) incluyen los coeficientes de cultivo y las capacidades de retención de agua del suelo. El coeficiente de los cultivos agrícolas determina la tasa de transpiración en función de las condiciones meteorológicas y de la disponibilidad de agua. Los controladores de ET pueden reducir el consumo de agua hasta en un 63%, un ahorro asombrosamente espectacular que no pueden igualar muchos otros métodos.

Conclusión:

Abundan las soluciones de riego sofisticadas para los grandes agricultores industriales de hoy en día. De hecho, las tecnologías de automatización también han hecho que los métodos de riego avanzados sean lo bastante asequibles para los pequeños agricultores, así como para los productores de alimentos especializados en hortalizas y cultivos delicados con márgenes de beneficio más estrechos.