Nuevas tecnologias y desafios en la modernización del riego

“CUBARIEGO 2005”, la Habana, Cuba, Out. 2005
Nuevas tecnologias y desafios
en la modernización del riego
Luis S. Pereira
Presidente de la CIGR
Coordenador de la Red CYTED Riegos
Centro de Estudos de Engenharia Rural
Instituto Superior de Agronomia, Universidad Técnica de Lisboa
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela:
rega de superície, aspersão, microrrega
5 – Gestão de sistemas de rega de superfície, simulação da
demanda e dos fornecimentos
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão; simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos, escala de bacia
hidrográfica
A disponibilidade de água no mundo varia com o balanço P-E,
com a densidade de população e suas actividades
abundante
escassa
Fonte: Banco Mundial, 2004
Disponibilidades potenciais de água (103 m3/ano per capita)
45
40
35
2000 m3/ano/cap
25
20
15
10
5
Europe
Africa
Australia
South
America
North
America
Southern
Nor.China
Mongolia
South
East
Central
Western
Total
Southern
Central
Northern
Total
Southern
Central
Northern
0
Total
3
3
10 m /year
30
Asia
A escassez é marcante em muitas regiões
Shiklomanov, 2000
Dinâmica do uso da água (km3/ano) à escala do globo
3500
3189
3000
2504
2500
2000
1500
1170
1000
752
607
513
500
253
47.3
22
344
329
44
0
1900
Irrigated land (10E6 ha)
Municipal use (km3/yr)
1995
2025
Agricultural use (km3/yr)
Industrial use (km3/yr)
A escassez de água reflecte as alterações na procura que
ocorreram no século XX. A escassez aparece assim como
consequência do uso! A agricultura é o maior utilizador...
Shiklomanov, 2000
Dinâmica do uso da água (%) à escala do globo
100
90
88,6%
80
69,5%
70
64,2%
60
50
40
30
20
10
23,6%
20,9%
7,6%
9,6%
12,2%
3,8%
0
1900
Agricultural use (%)
1995
Municipal use (%)
2025
Industrial use (%)
... mas a fracção relativa a usos industriais e domésticos
tende a crescer mais do que a da agricultura
Shiklomanov, 2000
A tendência da
repartição entre usos
da água mantém-se
para o futuro...
… bem como a repartição
regional, com usos da
água muito mais elevados
nos países desenvolvidos
Grau de poluição da água doce no mundo
baixa
forte
Fonte: Banco Mundial, 2004
Unesco, IHP, 2002
Escassez de
água
Natural
Produzida pelo
homem
Permanente
Aridez
Desertificação
Temporária
Secas
Penúria de água
http://unesdoc.unesco.org/images/0012/001278/127846e.pdf
Aridez
Desertificação
Precipitação média anual baixa a
muito baixa, e grande variabilidade
espacial e temporal da precipitação
Desequilíbrio antrópico, incluindo o
que se refere às mudanças climáticas,
da disponibilidade de água devido a
minagem (sobre-exploração) das
águas subterrâneas e/ou superficiais,
combinado com degradação da terra,
erosão uso inadequado da terra,
incluindo a água, baixa infiltração,
cheias rápidas mais frequentes, e
perda dos ecossistemas ripícolas
Seca
Penúria de água
Precipitação persistentemente abaixo
da média, ocorrendo com frequência,
duração e severidade aleatórias, e
cuja previsão é difícil ou mesmo
impossível
Desequilíbrio na disponibilidade de
água incluindo sobre-exploração de
aquíferos, reduzida capacidade dos
reservatórios, uso da terra
inadequado, degradação da qualidade
da água e redução da capacidade de
suporte dos ecossistemas
Alterações no
escoamento
(mm/ano)
segundo dois
modelos do
Hadley Center
Grande
incerteza das
previsões
para várias
regiões, mas a
maior
frequência e
dimensão das
cheias é certa
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação
da demanda e dos fornecimentos,
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão, Simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos, escala de bacia
hidrográfica
USO
Água mobilizada para dado fim
CONSUMO
Fracção retirada ao
ciclo hidrológico
FRACÇÃO
NÃO
CONSUMIDA
Qualidade
preservada
Uso
Benéfico
Consumo
não benéfico
REUTILIZÁVEL
Qualidade
Degradada
NÃO
REUTILIZÁVEL
PERDAS
USO DA ÁGUA
FRACÇÃO
NÃO
CONSUMIDA
CONSUMO
Qualidade
preservada
Uso
Benéfico
REUTILIZÁVEL
Qualidade
degradada
NÃO
REUTILIZÁVEL
Uso não benéfico
Consumo
não benéfico
DESPERDÍCIOS
PERDAS
USO DA ÁGUA
CONSUMO
FRACÇÃO NÃO
CONSUMIDA
REUTILIZÁVEL
Benéfico
NÃO
REUTILIZÁVEL
Uso não benéfico
Consumo
não benéfico
DESPERDÍCIOS
Uso eficiente da água:
PERDAS
•Maximizar os consumos e usos benéficos
•Minimizar as perdas
•Controlar os desperdícios
•Optimizar os desempenhos dos sistemas de rega
USOS DA ÁGUA
Usos
benéficos
Usos
não benéficos
PERDAS
Fracção
consumida e
benéfica
DESPERDÍCIOS
Fracção
consumida e
não benéfica
Fracção não
consumida e não
reutilizável
Fracção não
consumida mas
reutilizável
Caminhos para melhorar o uso da água
USOS DA ÁGUA
1 – Identificar os percursos da água
2 – Minimizar os usos não benéficos
¾ evitar as perdas
Fracção
consumida e
benéfica
¾ controlar os desperdícios
Usos
benéficos
Usos
não benéficos
PERDAS
DESPERDÍCIOS
Fracção
consumida e
não benéfica
Fracção não
consumida e não
reutilizàvel
3 – Maximizar os consumos benéficos
4 – Optimizar os usos benéficos não consumptivos
Fracção não
consumida mas
reutilizàvel
Gestão da rega para a conservação e
poupança de água – escala do campo
Objectivos
Tecnologias
Reduzir a procura
• Culturas/variedades/rotações
com menor demanda de água
• Rega deficitária
• Melhor gestão e uniformidade
dos sistemas de rega
• Reutilização da água
• Gestão do solo, plantio directo,
mulch
• Práticas de cultivo melhoradas
• Evitar stress nos períodos
críticos
• Culturas mais rentáveis
• Tecnologias de rega apropriadas
Poupança de água
Conservação da água
Produtividade da água
Rendimento do agricultor
E o valor da água?
As medidas para
um melhor uso da
água em rega não
interessam
apenas a
poupança e
conservação da
água, ...
devem visar
igualmente a
maximização das
externalidades da
rega, ex. Japão
MAFF, 2001
IWMI, 2002
Japan. Inst. Irrig. Drain., 2003
Mitsubishi Res. Inst., 2001
Os desafios da sustentabilidade do uso da água passam
por
• Reconhecer o valor social da água
• Atribuir um valor ambiental à água
• Repensar o valor económico da água
• Redescobrir o valor cultural da água
• Reinventar as prioridades para a afectação
dos recursos hídricos
isto é, trazendo à realidade da gestão e do
uso das tecnologias o valor integral da água
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
Simulação para a condução da rega,o ISAREG
Recurso às tecnologias WEB, o WEBISAREG
Aplicação SIG, o GISAREG
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação da
demanda e dos fornecimentos,
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão, Simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos,
hídricos bacia hidrográfica
ETo
Necessidades
de água e de
rega das
culturas
Programação
e condução da
rega
Resultados
Gráfico de resultados com
fracção de lavagem e MAD>p
Resultados comparando valores observados e simulados
Exemplo de análise de simulação com o ISAREG
combinando dados físicos e económicos - análise da
resposta do MILHO à rega deficitária no Alentejo:
margens brutas (€) por ha e m3
Rampas pivotantes
1200
0.3
400
Aspersão fixa
300
1000
0.05
200
0.2
M B/m3
MB/h a
600
100
0.00
0
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950
-100
0.1
400
-0.05
-200
200
0
-300
0.0
510
(34)
a
570
( 38)
630
(42)
690
(46)
750
(50)
810
(54)
870
( 58)
930
(62)
-400
-0.10
(20) (22) (24) ( 26) (28) (30)
b
Vo lu m e d e r e ga to tal (m m )
(Núm er o d e re ga s)
Alta
(32) (34) (36) (38)
Vo lum e de r e ga to tal (m m )
( Núm er o d e r e ga s)
Procura Climática:
Média
M B/m3
800
M B/ha
0.10
Muito alta
GISAREG, versão SIG do modelo ISAREG: construção da base de
dados espacializados
Dados Meteo
Solos
Culturas
Cult x Meteo
Cult x Meteo
Cult x Solos x Meteo
GISAREG: Necessidades de rega – mapa e programa de uma parcela
GISAREG: Procura de água agregada num nó da rede
WEBISAREG, versão do ISAREG para a Web
WEBISAREG –
Arquitectura
Serviço de apoio
aos regantes
Definição do cenário
cultura
utilizador
Resultados
parcela
Método de rega
sistema de rega
DOT mm/h – Interfaces de selecção e conversão
da dotação da rega (mm) para tempo de rega (h)
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
Sistema de apoio à decisão para a rega de superície
Simulação da aspersão fixa, AVASPER
Simulação dae canhões móveis
Sistema de apoio à decisão para microrrega, MIRRIG
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação da
demanda e dos fornecimentos,
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão, Simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos, bacia hidrográfica
A rega de superfície é frequentemente considerada como
pouco eficiente e sem futuro. Porém, é capaz de conseguir
desempenhos excelentes se forem adoptados tanto os
nivelamentos de precisão como as modernas tecnologias
Mas os agricultores não têm capacidade de
modernizar sem apoios adequados
SADREG, um DSS para rega de superfície
PROJECTO
BASE DE DADOS
SIG
MODELOS
•ISAREG
INTERFACE
•Nivelação de terras
•SIRMOD
•Distribuição da água
Utilizador
SELECÇÃO
ALTERNATIVAS DE PROJECTO
Indicadores, atributos
ANÁLISE
MULTICRITÉRIO
INTERFACE
Projecto seleccionado
Fergana Valley
Rega por
sulcos, bacia
do Mar Aral
SADREG: Aplicando análise multi-critério para comparar diversas
alternativas resulta que em termos económicos o agricultor tem
interesse em manter a situação actual (EC) ou, talvez, melhorar
a gestão e adoptar sulcos alternados (AC).
0.8
0.7
Global Utility
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
t
v
en
s
-E
e
f
lt
f
r
-Ev
o
v
P
A
d
t
e
u
lt
-E
d
h
f
e
C
c
e
-A
h
S
f
c
D
e
S
D
Ev
lt
e
A
g
t
e
r
-Ev
g
f
Al
r
e
Su
f
u
D
e
S
rr-D
Su
u
S
Water saving
Uniform
Economics
Os aspersores modernos
são potencialmente
capazes de produzir
excelentes desempenhos,
...
Mas apenas se os
sistemas forem bem
projectados e se
adequarem às condições
ambientais e culturais
prevalecentes
De outro modo, não é de
esperar que possam
conduzir a conservação e
poupança!
O mesmo acontece
com os canhões,
se forem aplicados
em condições de
vento favoráveis ...
... bem como aos modernos
aspersores em sistemas móveis,
capazes de poupança de água e
energia se projectados e geridos
de acordo com as condições
ambientais dominantes.
AVASPER – Simulação, avaliação e projecto de sistemas de
aspersão fixa
Avaliação
Entrada de
dados de campo
Desempenho do
sistema observado
AVASPER – Simulação para projecto de sistemas de
aspersão fixa
Dados
Resultados:
Pressões
Caudais
TRAVEGUN – Módulo de avaliação e projecto de
rega por aspersão com canhões móveis
Indicadores de
desempenho
A microrrega – gotejamento, sub-superficial ou
micro-aspersão – pode ser excelente em termos de
poupança de água e de produção, mas apenas se
houver apoio aos agricultores
DSS MIRRIG – gota a gota e microaspersão
Base de Dados:
Sistemas
Emissores
Tubos
Culturas
Solos
Sistema em
operation
Modelos:
Projecto
Simulação
visando critérios
de desempenho
pré-definidos
Análise Multi-critério
Ordenação das
alternativas
Avaliação
MIRRIG, SISTEMA DE APOIO À DECISÃO
PARA PROJECTO E AVALIAÇÃO DE
MICRORREGA
Base de dados para emissores, condutas, culturas e solos
MIRRIG, Interfaces para construção das alternativas de
projecto
MIRRIG:
Resultados da
simulação de
uma das
alternativas
Ordenação das
alternativas pela
análise multicritério
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação
da demanda e dos fornecimentos, modelo SEDAM
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão, Simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos, bacia hidrográfica
GISAREG
Datas e Volumes
de Rega
SADREG
Base de dados
SIG
Alternativas
de Projecto
SEDAM – DSS para análise
multicritério de melhoramentos
nos sistemas de rega por
gravidade.
Simulação da procura e
abastecimento de água
Cenário
SEDAM
Indicadores
Análise
Multicritério
N
Satisfaz?
S
FIM
DSS SEDAM
(ambiente GIS e RS)
Camada rede de rega
Camada parcelas
Imagem de satélite
Fergana,
Uzbekistan
1. Mapa do
sistema de rega
e das parcelas
SEDAM
2. Aplicação do SADREG
aos diversos campos
3. Agregação das parcelas
servidas por um distribuidor
4. Resultados:
Hidrograma de abastecimentos
a uma parcela
SEDAM
B0
Cenário
B0
1000
Cenário
B6
B6
Cenário
B1
B1
volume (103 m3)
800
600
400
200
0
1
6
11
16
21
26
31
11 36
16
10-day period
Field Runoff
Beneficial Water Use
(passo de tempo
de 10 dias)
11
16
21
26
10-day period
Volume Supplied to the Sector
Canals_Seepage
7.000
3
6.000
Volumes totais de água para diferentes cenários
de rega
3
5. Hidrogramas de
abastecimento,
demanda e uso da
água no sector
26
8.000
Sector volumes (10 m )
Field Percolation
Canal Runoff
21
10-day period
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
Scenarios
Supply to the Sector
Percolation
Beneficial Water Use
Field Runoff
Canal Runoff
Canal Seepage
Delivery to Fields
0,1
SEDAM:
Análise de
resultados
0,06
0,04
0,02
0
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
Scenarios
Water Economic Produtivity
Field Fixed Cost / Water Use
Custos/m3 da água usada
e productividade
económica da água
Field Variable Cost / Water Use
0,9
0,8
0,7
0,6
Utility
EUR/m3
0,08
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Utilidade global
0
B0
B1
B2
B3
B4
Sector Scenarios
B5
B6
B7
B8
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação da
fornecimentos, modelo SEDAM
deanda e dos
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão
Gestão com apoio SIG, HIDROGEST
Simulação da demanda, IRDEMAND
Análise de desempenhos, AKLA
7 – Afectação de recursos hídricos, bacia hidrográfica
HIDROGEST – Gestão de sistemas de rega em pressão
Esquema Conceptual
Utilizador
GIS ou Windows
Interface
Base de Dados
HidroGest
Interface
Modelos
MAPA
(apenas GIS)
Base de
Dados
Modelos
HIDROGEST - consulta de dados e saída GIS
HidroGest – Interface de entrada
Calendarização e condução
da rega em tempo real
(ISAREG e RELREG)
Modelos de avaliação
de campo (AVASPER,
MIRRIG, outros)
Sistema de gestão das
bases de dados
ƒ O HidroGest funciona em dois ambientes diferentes (Windows
e SIG) conforme o utilizador possua ou não software SIG
Base de Dados, regantes
ƒ Permite filtrar informação da
base de dados
ƒ A selecção de dados é
disponibilizada em forma de
tabela (Aplicação Windows)
Base de Dados, sistema de rega
ANÁLISE DE FUNCIONAMENTO DE REDES DE
REGA SOB PRESSÃO
1. Cálculo do hidrograma de procura – modelo IRDEMAND
2. Conhecimento da relação caudal-pressão no início da
rede
3. Análise das condições de serviço (caudal e pressão nas
bocas de rega)
•
Regime permanente – COPAM (AKLA)
•
Regime variável - EPANET
IRDEMAND MODEL
INPUT DATA
DATA BASE
•Meteorological
•Agronomic
•Network configuration
DESIGN DATA
•Operation rules
•Irrigation strategies
•Irrigation efficiencies
•Hourly demand
characterization
SIMULATION
OPTIONS
Read input data
Irrigation systems
are known ?
S
Set the irrigation systems
for each irrigation unit
N
S
Crops are known ?
Set the crop for each
irrigation unit
N
Seeding data generation
Irrigation efficiencies generation
Irrigation depths generation
Computation of available continuous discharge
(qfcd)
Soil Water balance simulation –
ISAREG Model
Dados
existentes
Geração de
dados
IRDEMAND MODEL (CONT.)
Soil Water balance simulation –
ISAREG Model
Changes the water depth
No
qfcd > qfc
yes
yes
Other field ?
No
Computation of daily volumes withdrawn for irrigation
Computation of peak period
Generation of hourly hydrographs and definition of the
flow regimes
Construction of the input files for AKLA model
Semana: 13-19/09/2000
500
450
Caudal (l/s)
400
350
300
250
Monitorização
para validação
do modelo
200
150
100
50
0
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
Quarta (13/09)
Quinta (14/09)
Sexta (15/09)
Domingo (17/09)
Segunda (18/09)
Terça (19/09)
20:00
23:20
Sábado (16/09)
Caudais médios horários simulados e observados no
período de ponta (10 dias), Lucefecit (2001)
Dis c ha rge ( m3 /h)
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1 2
3 4 5
6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Time (hours)
Average hourly discharges simulated
Average hourly discharges computed from observed hydrographs
b = 1,036
AAE = 156,8 m3 h-1
ARE = 9,8 %
MODELO AKLA - REGIME PERMANENTE
Características da rede
Definição dos parâmetros para a análise
Número de
simulações
e condições
no limite
Monitorização da pressão e
caudais em alguns hidrantes
Pressão e caudal no hidrante 227 – 1, Lucefecit
R e g a : 3 1 /0 8 - 0 1 /0 9 /2 0 0 0
3 ,5
350
3
300
2 ,5
250
2
200
1 ,5
150
1
100
0 ,5
50
P re s s ã o
C audal
7:30
6:00
4:30
3:00
1:30
0:00
22:30
21:00
19:30
18:00
16:30
15:00
13:30
12:00
10:30
0
9:00
0
Caudal (l/s)
4
400
7:30
Pressão (kPa)
450
Diferenças relativas de pressão em cada boca de rega
Deficits
relativos de
pressão nos
hidrantes
Zo=260 m
Qo = 750 l s-1
Fiabilidade
Reliability
Outlet number
Outlet number
1 – Escassez de água
2 – Uso e consumo de água
3 – Modelos para a programação e a condução da rega
4 - Modelos de simulação da rega na parcela
5 – Gestão de, sistemas de rega de superfície, simulação da
demanda e dos fornecimentos, modelo SEDAM
6 – Gestão de sistemas de rega em pressão, Simulação da
demanda e análise de desempenhos
7 – Afectação de recursos hídricos, bacia hidrográfica
Modelos SAGBAH
e ISAREG
Clima
Lavoura
Є
Economia
Tecnologias Solo
e Manejo
BH
Afectação de recursos hídricos
Aproximação multi-escala
Escala da Bacia Hidrográfica
Tipologia das Demandas
na Bacia:
Consumos Urbano, Industrial
Ecológico, Animais, Outros usos
Áreas, Fatores, Regras Operação,
Distribuição Espacial e Temporal
Base Dados
Meteorológicos
e Hidrológicos
D
a
d
o
s
Dados
Escala
das
Lavouras
e
Sub-Bacias
Mudar Regras de
Manejo
Água
Lavoura
ISAREG
Consumo (l/s/ha)
Regras Manejo Água
PROPAGAR
Rb
l/s/ha
Interação entre Escalas
ANÁLISE BACIA
COEF. ESCALA BACIA
REGRAS MANEJO BACIAS
SÍNTESE CONSUMOS SUBBACIA
ANÁLISES LAVOURA
COEF. ESCALA LAVOURAS
REGRAS MANEJO LAVOURA
COBRANÇA E OUTORGA
Caracterização do Sistema para
Análises de Impactos e Viabilidade
Rendimento do agricultor ( R$/ha )
Manejo 0
Manejo 1
Manejo 2
O uso eficiente da água em regadio requer:
Saber escolher equipamentos
Saber escolher os serviços
Saber utilizar e gerir os sistemas de rega
Saber praticar a condução da rega conforme os
sistemas que utiliza
Conhecer os equipamentos e sistemas e as suas
limitações e qualidades
Dar atenção à manutenção
Conhecer as implicações económicas do uso da água
Para tanto, o agricultor necessita de
Formação / actualização
Apoio de aconselhamento
Controlo de qualidade dos equipamentos
Controlo de qualidade de serviços e projectos,
nomeadamente dos serviços de venda e pós-venda
Serviços de informação para a condução da rega