Un modelo matemático para la optimización del manejo de compuertas en canales de riego

A raíz del fuerte crecimiento poblacional, el consecuente aumento de la demanda del sector agrícola, el incremento del desarrollo industrial y la intensificación de la contaminación ambiental, el agua se ha convertido en un recurso escaso en varios sectores del mundo. Por este motivo, resulta ese...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Martorana, Julia V.
Otros Autores: Cortínez, Víctor Hugo
Formato: tesis de maestría
Lenguaje:Español
Publicado: 2014
Materias:
Ingeniería
Canales de riego
Control
Calibración
Optimización matemática
Riego
Acceso en línea:http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/520
Aporte de:
Repositorio Institucional Universidad Nacional del Sur (UNS) de Universidad Nacional del Sur
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description A raíz del fuerte crecimiento poblacional, el consecuente aumento de la demanda del sector agrícola, el incremento del desarrollo industrial y la intensificación de la contaminación ambiental, el agua se ha convertido en un recurso escaso en varios sectores del mundo. Por este motivo, resulta esencial llevar a cabo estudios de técnicas que conduzcan a una utilización más racional del agua, que aumenten la eficiencia de su gestión y almacenamiento, que posibiliten la construcción de infraestructura adecuada y que fomenten la investigación de nuevas fuentes. Dentro del sector agrícola, un porcentaje elevado del agua demandada, se pierde en los sistemas de irrigación. Estas pérdidas son producto, por un lado, de la infiltración y evaporación que se produce en los canales, y por otro, de la realización de operaciones de control ineficientes. En la mayoría de los sistemas de irrigación la entrega de caudales hacia los cultivos se lleva a cabo mediante gravedad. El caudal derivado por las salidas laterales depende de los niveles de flujo en el canal principal. A su vez, estos niveles son modificados a través de las variaciones de las estructuras de control transversales. En consecuencia, los movimientos de compuertas o vertederos provocan nuevos regímenes hidráulicos que generalmente son desconocidos. Sin embargo, si se desea establecer una entrega precisa de agua, resulta necesario conocer el comportamiento de estos estados transitorios del canal. La comprensión del comportamiento hidráulico facilita el diseño de protocolos para la operación de canales de irrigación. Mediante estos protocolos, se pretende establecer estrategias óptimas de operaciones de compuertas con el objetivo de cumplir con determinadas demandas de caudal en las salidas laterales. Para esto, en esta tesis, se propusieron tres niveles de protocolos de operación de compuertas en canales. Cada uno de éstos puede ser aplicado en forma separada o en combinación con uno o ambos protocolos restantes. La primer estrategia consiste en la determinación de las posiciones de las compuertas que provocan la derivación de determinados caudales laterales deseados. El segundo procedimiento tiene como objetivo establecer las sucesiones temporales de movimientos que deben llevarse a cabo para conducir el canal de un estado estacionario inicial a un estado estacionario final tratando de minimizar las fluctuaciones producidas durante los estados transitorios surgidos de las maniobras en las estructuras. Por último, se propone un procedimiento para llevar a cabo el control de las profundidades de agua en determinados puntos del canal. En la actualidad, para mantener los niveles constantes ante variaciones no previstas del flujo, se utilizan controladores automáticos. El trabajo de estos dispositivos consiste en la evaluación de la desviación de cierta variable de un valor de referencia y en la determinación de la acción correctiva a llevar a cabo con el objetivo de minimizar esta diferencia. En este trabajo se propone la implementación de un controlador tipo ’Proporcional- Integrador’ (PI) cuyo desempeño depende de su adecuada calibración. Mediante la simulación computacional de un modelo matemático que describe la dinámica de flujo no permanente en canales abiertos, es posible llevar a cabo el análisis de los regímenes transitorios que se producen debido a las distintas variaciones de las aperturas de compuertas. Sin embargo, cuando los canales poseen varios tramos y numerosas salidas laterales, la determinación de las aperturas de compuertas que provocan las erogaciones deseadas y de los movimientos necesarios para minimizar las fluctuaciones, resulta una tarea muy compleja. Por este motivo, se propone una metodología de diseño óptimo de estrategias de operaciones de compuertas, con el objetivo de evitar las pérdidas de agua y minimizar los excesos y/o déficits por fluctuaciones del flujo. A través de la técnica de optimización es posible obtener entonces, el mejor protocolo de maniobras para el cumplimiento de ciertos objetivos preestablecidos. Estos objetivos dependen de las necesidades de los usuarios y de la forma en que se opere el canal. Las variables a determinar en este caso, son las aperturas de las compuertas y los parámetros de los controladores automáticos implementados. Por otra parte, el éxito de las simulaciones computacionales depende de cuán bien esté representada la dinámica real del flujo a través del modelo matemático. Esto está directamente relacionado con los valores que adopten ciertos parámetros del modelo que no son siempre conocidos de antemano y que no puedenmedirse de forma directa. Entre algunos de estos parámetros se pueden nombrar los coeficientes de rugosidad del lecho del canal (o coeficientes de Manning) y los coeficientes de infiltración. En consecuencia, para poder utilizar el modelo computacional en el análisis de operaciones en compuertas, es necesario obtener los parámetros desconocidos involucrados. Para esto, es posible aplicar una metodología denominada calibración que consiste en determinar los valores desconocidos mediante la medición de algunas variables del sistema. En este trabajo se plantea un procedimiento de cálculo que combina la simulación hidrodinámica del flujo no permanente con una técnica de optimización matemática. La simulación se lleva a cabo a través de la resolución de las ecuaciones gobernantes de flujo en canales mediante el método numérico de diferencias finitas. Los problemas de optimización se resuelven mediante una técnica heurística de optimización combinatoria denominada Método de recocido simulado. Este método se basa en la generación aleatoria de soluciones factibles y su principal característica es evitar la convergencia local en problemas de gran escala. Ambas rutinas de cálculo se programaron en ambiente MATLAB.

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