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El afianzamiento de proyectos de riego que cuentan con extensos sistemas de conducción de canales abiertos, depende en gran medida de la capacidad de los sistemas para satisfacer las demandas parcelarias de agua en forma económica y asegurar la máxima utilización del recurso para el riego agrícola. La conducción del agua desde la fuente hasta la parcela, representa normalmente costos significativos en términos reales (p.ej. en costos presentes), pérdida de agua (p.ej. la que no se utiliza para la producción agrícola ni se aprovecha para otros usos), de terrenos productivos (p.ej. por cesión de derechos de vía, encharcamientos y salinización), y baja productividad de los cultivos (p.ej. por entrega inadecuada de agua a la parcela). Cada uno de estos costos representan una función compleja en el diseño de los sistemas de conducción, en la metodología de operación, en las prácticas de manejo y en los programas de mantenimiento. El significado relativo del sistema de costos se determina usando un criterio apropiado de evaluación del funcionamiento. La determinación del sostén de un proyecto requiere que su funcionamiento sea medido o estimado en forma confiable por ingenieros, agrónomos, economistas, banqueros, gobernantes, productores y otros profesionales..
Para mejores resultados, los costos usados en la evaluación del funcionamiento de estos sistemas se deberán relacionar con las características físicas y de operación del sistema que se va a evaluar. Tradicionalmente, la evaluación del funcionamiento de los sistemas de conducción se ha visto seriamente restringido por la escasez de datos. Aunque los sistemas existentes se monitorean en forma adecuada, los efectos en los cambios propuestos en el diseño, operación, etc., solamente se podrían suponer. Para salvar estos problemas, se pueden aprovechar los desarrollos recientes en simulación de sistemas hidráulicos de conducción de agua para riego, su operación y relación con las características hidrológicas. A diferencia de los modelos de balance hidráulico, los de simulación dinámica dan la oportunidad de relacionar las características específicas de los sistemas, con los costos actuales y seleccionar criterios de evaluación de su funcionamiento. No obstante, el impacto del diseño, manejo, operación y mantenimiento de los sistemas de distribución de agua para el sostén de proyectos de riego en operación o en proyecto, no se puede determinar en forma rápida.
El afianzamiento de la agricultura de riego continúa como un aspecto prioritario, tanto para países desarrollados como para aquellos que están en vías de desarrollo, Banco Mundial, PNUD (1990). El desarrollo sostenible de la agricultura de riego se ve limitado por escasez de agua y de tierras regables. Sin embargo, existe la posibilidad de incrementar en forma importante la producción agrícola si se utilizan el agua y la infraestructura disponibles, mediante un mejor manejo de los sistemas de conducción (incluyendo la operación), modernización de la infraestructura, un mejor mantenimiento y prácticas agrícolas más adecuadas. Coincidentemente, la viabilidad de proyectos de riego desde los puntos de vista económico y social, depende de los mismos factores. Una vez iniciado un proyecto de riego, es de esperarse una productividad agrícola estable, sin subsidios significativos en el corto plazo. El logro de esta condición se conoce también como desarrollo sostenible.
La mayoría de los grandes proyectos de riego a nivel mundial emplean sistemas extensos de canales abiertos para la conducción del agua hasta las parcelas. Los sistemas de conducción, junto con los de drenaje y las obras de ingeniería para riego, constituyen el sistema de infraestructura. El afianzamiento de los proyectos de riego con estas características, depende en gran medida de la capacidad de los sistemas de conducción para entregar en forma económica los requerimientos de agua a las parcelas y garantizar el uso óptimo del agua para riego.
La entrega de agua desde la fuente hasta el predio, representa normalmente una proporción considerable de los costos del proyecto en términos de precio actual, pérdida de agua, terrenos improductivos y baja producción agrícola. Cada uno de estos costos es una función compleja para el diseño de los sistemas de conducción, metodología de operación, prácticas de manejo y programas de mantenimiento. El significado relativo de los diferentes costos se puede determinar usando criterios de evaluación de funcionamiento. Para la determinación del afianzamiento de un proyecto, es necesario que su funcionamiento sea estimado en forma confiable, con la participación de ingenieros, agrónomos, economistas, banqueros, gobernantes, productores y otros profesionales.
Para mejores resultados, los costos usados en la evaluación del funcionamiento de estos sistemas se deberán relacionar con las características físicas y de operación del sistema que se va a evaluar. Tradicionalmente, la evaluación del funcionamiento de los sistemas de conducción se ha visto seriamente restringido por la escasez de datos. Aunque los sistemas existentes se monitorean en forma adecuada, los efectos en los cambios propuestos en el diseño, operación, etc., solamente se podrían suponer. Para salvar estos problemas, se pueden aprovechar los desarrollos recientes en simulación de sistemas hidráulicos de conducción de agua para riego, su operación y relación con las características hidrológicas.
Se han desarrollado numerosos criterios (y continuarán desarrollándose) para evaluar el funcionamineto de sistemas de conducción de agua para riego en operación o en proyecto. El tipo de información que se requiere para estas evaluaciones incluye:
Sin duda la disponibilidad de esta información puede conducir a evaluaciones completas y útiles de los sistemas de conducción de agua para riego desde perspectivas ingenieriles, agronómicas, de administración y conservación. Es igualmente obvio que para la mayoría de los sistemas de conducción muchos de estos datos nunca se pueden recopilar; y los que se pueden, no siempre son confiables o no están disponilbles para su uso (p.ej. dotación de agua parcelaria y costos de operación). El funcionamiento de sistemas de conducción nuevos, rehabilitados o en mantenimiento, puede preverse si las características físicas, de operación e hidrológicas se pueden relacionar con, al menos, una parte de los datos que se enlistan arriba.
Se podría argumentar la posibilidad de clasificar y evaluar sistemas de conducción completos, utilizando datos gruesos de entradas y salidas de agua, costos de capital y de administración y productividad agrícola. Aunque dichos análisis son posibles, es de esperar que los resultados proporcionen muy poca información nueva y sólo para enfatizar lo que es obvio. Poco o casi nada se ganará en la relación entre las características físicas, de operación e hidrológicas del sistema de conducción y su funcionamiento. Además, es muy difícil que se tenga una clasificación a groso modo de los sistemas de conducción de agua para riego, ya que tanto los sistemas de conducción, las demandas de agua y las condiciones hidrológicas son muy variados; Manz (1990).
Desarrollos recientes en la simulación dinámica de sistemas hidráulicos de conducción de agua, operación y condiciones hidrológicas, tal como lo describe Manz (1991), dan la oportunidad de relacionar el funcionamiento de sistemas específicos con las características físicas y de operación. Puesto que los costos de diferentes condiciones físicas y técnicas de operación usualmente son conocidas, los costos de condución del agua hasta las parcelas, así como el funcionamiento de sistemas de diseños específicos de sistemas, se podrían estimar. Las condiciones y criterios con los que se evalúa el funcionamiento de los sistemas de conducción se debe especificar por ingenieros, agrónomos, etc. Los sistemas en operación o en proyecto podrían así evaluarse.
Los costos combinados en la evaluación del funcionamiento de los sistemas de conducción pueden medirse en términos monetarios, pérdida o desperdicio de agua, pérdida de tierras producticas y baja productividad agrícola. Los costos monetarios podrían atribuirse a inversión de capital, administración, operación y mantenimiento. La pérdida o desperdicio de agua ocurre cuando es desviada y no se utiliza para la producción agrícola u otros usos especificados. Esta agua podría manejarse también con sistemas de drenaje. La pérdida de agua por infiltración en los sistemas de conducción puede provocar encharcamientos y/o salinización de los terrenos adyacentes y podrían requerirse también sistemas de drenaje. Las dotaciones de agua en términos de gasto, duración, frecuencia u oportunidad, podrían resultar en baja producción agrícola. La simulación dinámica de sistemas de conducción de agua para riego puede apoyar en forma importante la estimación de todos los costos, o dicho de otra manera, los costos no pueden estimarse con facilidad y con alto grado de certidumbre, sin la utilización de técnicas de simulación dinámica.
Los modelos de simulación dinámica simulan las características hidráulicas, de operación, y las características hidrológicas de sistemas de conducción de agua al variar el tiempo, en respuesta a los cambios de flujo de entrada o salida del sistema y al variar las condiciones de frontera, internas y externas. Idealmente, estos modelos pueden:
2. Simular condiciones relevantes de campo.
3. Usar teorías y métodos matemáticos verificables.
4. Mejorar todos los cálculos, usando técnicas numéricas conservadoras.
5. Introducir toda la información relevante en forma adecuada para el futuro usuario.
6. Obtener toda la información relevante en forma adecuada para el futuro usuario.
7. Usar un mínimo de recursos de cómputo.
Los modelos de flujo estable permiten predecir las características hidráulicas de los sistemas de canales abiertos, al considerar que todos los factores que afectan las condiciones de flujo no han cambiado por un período suficiente para permitir que las condiciones de flujo dentro del canal se mantengan constantes, esto es, el tiempo suficiente para alcanzar las condiciones de flujo estable. Los modelos de simulación dinámica permiten predecir las características hidráulicas de los canales abiertos al variar con el tiempo; es decir, bajo condiciones de flujo variable. Es por esto que, excepto para condiciones de diseño muy específicas, los modelos de flujo estable no pueden utilizarse para evaluar las características hidráulicas y la operación de sistemas de canales abiertos, que son operados en forma frecuente o que experimentan entradas y salidas variables.
Los modelos de balance hidráulico permiten predecir los cambios de flujo a través de los sistemas de canales abiertos de la misma manera que los métodos usados para sistemas de tuberías. Para tomar en cuenta los largos períodos de tiempo empleados por el agua al desplazarse a través de los sistemas, se introdujo el concepto de tiempo de traslado. Se trata del tiempo requerido por los cambios de gasto para avanzar a lo largo de un canal. Los gastos podrán predecirse en sitios predeterminados dentro del sistema de canales. Excepto para el tiempo de traslado, las restricciones en los gastos utilizados para considerar los límites en la capacidad de conducción de los canales y de los almacenamientos, los modelos de balance hidráulico no pueden considerarse para las características hidráulicas y de operación de los sistemas de conducción.
Con los modelos de simulación dinámica se pueden predecir las condiciones hidráulicas de flujo en cualquier punto dentro de los sistemas de canales abiertos, como una función de las características físicas y de operación. Estos modelos se pueden utilizar también para predecir la capacidad de los canales y los tiempos de traslado usados en los modelos de balance hidráulico.
Los modelos de balance hidráulico usualmente demandan menos recursos computacionales que los de simulación dinámica, pero son muy difíciles de calibrar y sólo pueden proporcionar estimaciones gruesas de los sistemas hidráulicos.
Los modelos de asignación de agua pueden usarse para fijar dotaciones de agua que se distribuye a través de sistemas de conducción de canales abiertos y estructuras de almacenamiento, de acuerdo a algoritmos de decisión asistida basados usualmente en alguna técnica de optimización. Estos modelos sólo predicen las condiciones deseadas de flujo después de que se han realizado todas las operaciones. No proporcionan ninguna información como lo requieren los sistemas de conducción para su operación. Sin embargo, los modelos de balance hidráulico podrían usarse para predecir gastos deseados por medio del sistema de conducción, una vez que se han asignado las dotaciones y completado todas las operaciones. Los modelos de flujo estable pueden predecir ajustes en las estructuras de control, una vez que se han alcanzado las condiciones de flujo estable y fijado las asignaciones adecuadas de agua. Pero sólo los modelos de simulación dinámica pueden usarse para predecir y evaluar la secuencia y el tiempo de operación que deben realizarse para lograr los asiganciones, si es que esto es posible lograrlo completamente. Es importante hacer notar que los modelos de simulación dinámica que no están específicamente diseñados para simular la operación de sistemas de conducción para riego, por lo general no son fácilmente modificables.
La mayoría de los modelos de simulación dinámica de sistemas de conduccion de agua para riego difieren sustancialmente de aquellos que simulan sistemas de ríos. A continuación se mencionan algunas de las más importantes diferencias:
1. Los modelos para riego normalmente consideran canales de sección prismática.
2. Los modelos para riego no consideran características naturales como planicies, islas y meandros.
3. Los puntos de unión de canales abiertos en sistemas para riego están usualmente asociados con estructuras de control, mientras que en donde se juntan los ríos no existe ningún control.
4. Los modelos para riego consideran como entradas y salidas de agua laterales las pérdidas por infiltración y la lluvia que cae directamente sobre los canales. Algunos modelos de ríos consideran también entradas laterales, como el flujo base, y escurrimientos de las partes altas que también se consideran en los modelos para riego.
5. Los modelos para riego deben incluir la capacidad para simular una amplia variedad de estructuras de control de operación manual o automática, que son comunes en sistemas de riego y no así en sistemas de ríos.
6. Los modelos de riego deben interactuar con el usuario de una manera similar a la de un simulador de vuelo. Esta capacidad se requiere frecuentemente, ya que los sistemas de canales abiertos pueden ser operados muy intensamente, y requiere una participación sustancial del operador.
7. Los modelos de riego proveen frecuentemente capacidad de evaluación del funcionamiento en forma interactiva que no se requiere en los modelos de sistemas de ríos.
La verificación implica la evaluación de las relaciones matemáticas usadas por el modelo para describir las condiciones hidráulicas relevantes y los procesos operacionales (incluyendo los métodos usados para manejar y resolver ecuaciones), comparando los resultados del modelo con los obtenidos a través de experimentos controlados. En el proceso de verificación, los parámetros requeridos para caracterizar las condiciones hidráulicas y del modelo están especificadas, y las salidas del modelo se comparan a las observaciones experimentales. Si las relaciones matemáticas usadas por el modelo han sido verificadas, es posible calibrar el modelo. La calibración es el proceso inverso de la verificación. Los parámetros de control se determinan por comparaciones repetidas de las salidas del modelo con las condiciones de campo observadas, usando alguna técnica de optimización. El criterio usado para la verificación y calibración del modelo deben ser similares; sin embargo, el criterio para la verificación es más estricto, porque utiliza mejores datos.
Los modelos de simulación dinámica simulan dos tipos básicos de características hidráulicas: los componentes de los canales abiertos y las estructuras de control hidráulico. Los modelos dinámicos que emplean las ecuaciones completas de St. Venant y que usan técnicas de solución numérica verificables, mostrarán, consecuentemente, características de flujo variable por los canales. La calidad de la simulación de las condiciones hidráulicas de las estructuras de control podrá ser tan buena como la teórica, en función de la información disponible de las características hidráulicas de las estructuras, y que son incluidas en el modelo.
Los modelos que emplean las ecuaciones completas de St. Venant, resueltas con técnicas de solución numérica verificable y que utilizan la mejor información disponible de las estructuras de control hidráulico, pueden conducir a resultados tan buenos o mejores que cualquier otro modelo de aproximación o método de análisis. Vale la pena destacar que las ecuaciones usadas en los modelos de flujo estable, son una forma simplificada de las ecuaciones de St. Venant y que los modelos de balance hidráulico no consideran ningún sistema hidráulico.
Los administradores, planeadores e ingenieros responsables del diseño, operación y mantenimiento de sistemas de conducción de agua para riego, están familiarizados con las características físicas, de operación e hidrológicas de los sistemas que tienen a su cargo. El funcionamiento de estos sistemas sólo se podrá mejorar cambiando estas características. La información sobre el funcionamiento del sistema en su totalidad, usualmente no es útil para los encargados de mejorarla. Es por ello que se hace necesario conocer las características físicas, de operación e hidrológicas de los sistemas. Los únicos métodos efectivos disponibles para determinar esta relación son las observaciones de campo y los modelos de simulación dinámica. Los primeros son muy extensos y sólo se pueden aplicar en sistemas existentes. En cambio los modelos de simulación dinámica dan la oportunidad de:
1. Minimizar pérdidas de agua en los sistemas de conducción.
2. Minimizar costos de capital y de rehabilitación.
3. Minimizar costos de administración y de operación.
4. Minimizar costos de mantenimiento.
5. Ampliar la superficie regable al maximizar la capacidad de la infraestructura existente.
6. Mejorar la seguridad en la operación de los sistemas de conducción de agua.
7. Evaluar y desarrollar mejores métodos de control (manual, automático o de sistemas).
8. Agilizar los procesos de planeación y diseño.
9. Incrementar la productividad agrícola al mejorar la entrega de agua a los productores.
10. Dar mayores oportunidades de entrenamiento de personal sobre el funcionamiento y la operación de sistemas de conducción de agua para riego.
Los modelos de simulación dinámica de sistemas de conducción de agua para riego, con las características descritas, existen y continuarán desarrollándose mundialmente.
1. MANZ, D. H., Systems analysis of irrigation conveyance systems. Proceedings of International Symposium on Water Resources Systems, Dept. of Civil Engineering, University of Manitoba, Winnipeg, Canada, June, 1990, pp. 388-400.
2. MANZ, D. H., Eastern Irrigation District water delivery management/operation improvement project. Vol. 1-B Proceedings of the Special Technical Session at the 42nd EIC Meeting of the International Commission on Irrigation and Drainage, pp. 147-157, Beijing, April 1991.
3. MANZ, D. H. y SHCHAALJE, M., Evaluation of automatic controllers for regulation of upstream water depth in irrigation canals. Proceedings of the Eighth Afro-Asian Regional Conference of the International Commisssion on Irrigation and Drainage, Bangkok, November 1991, in-press.
4. WORLD BANK/UNDP, Irrigation and Drainage Research, A research on irrigation and drainage technology in developing countries, Volume 1, April 1990, 21 pp.
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