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Design – a better choice? The Simple Math for saving water ASGCM – Puebla, Mexico Brandon Matthews October 2015 The Toro Company www.thetorocompany.com
Design – a better choice?
The Simple Math for saving water ASGCM – Puebla, Mexico Brandon Matthews October 2015 The Toro Company
www.thetorocompany.com
Global Water Management
El agua
“ Actualmente sufrimos una crisis respecto al agua. Pero no
se trata de no tener suficiente agua para satisfacer nuestras
necesidades. La crisis consiste en la mala gestión que
hacemos de su uso, y que afecta a tantos millones de
personas y a nuestro entorno natural
- World Water Council - Vision Report
Cualquiera que sea su uso : agricultura, industria, uso
doméstico, enormes ahorros en su consumo se pueden
lograr con una gestión adecuada.
Dónde está el problema ?
• Sólo el 3% del agua en la
tierra es agua potable
• Sólo el 1% de esa agua
potable es de fácil acceso.
• Si toda el agua de la tierra
entrara en una botella de 4
litros, el agua potable
llenaría sólo una cucharilla
de café.
Toda el agua en el futuro, la tenemos ya
National Geographic, October 1993
La escasez de agua a nivel global
• Escacez física : más del 75% del caudal que se extrae de los rios se
utiliza para uso agrícola, industrial y doméstico
• La disponibilad de agua está limitada debido a falta de infraestructuras
Compitiendo por el agua
• Aumenta la competencia por disponer del agua :
– Agricultura
– Generación de energía
– Uso urbano / industrial
– Uso recreativo
– Entorno / espacios verdes
Incremento de la población
Datos concretos
• El 60% de la población mundial vive en zonas
con mucha escasez de agua. Y ese porcentaje
aumentará de forma preocupante.
Published: Friday, April 30, 2010 - 09:13 in Earth & Climate
• Cada caloría de alimento, requiere 1 litro de
agua para producirlo. Las dietas de los paises
occidentales, requieren 2400 – 2900 litros
diarios de agua.
• Published: Thursday, July 10, 2008 - 10:23 in Earth & Climate
Es un problema global
• La ciuda de Mexico podría
quedarse totalmente seca en la
próxima decada.
• Extrayendo 50-80% más de agua
de la que pueden recuperar los
acuiferos, el nivel de la superficie
baja 0.5 mts cada año.
• En el acuífero de Orgallaga que va
desde Texas hasta Dakota del
Sur, se perforan 200.000 pozos
cada día.
El mar de Aral en el oeste de Asia
Lago Mead, USA
.
Marina Marina
2000 2008
Nezahualcoyotl reservoir
Las sequías actuales y las crisis de agua, deben
ser afrontadas de inmediato si no queremos
pasar sed en el futuro.
Pero al mismo tiempo es preciso desarrollar ya
poíticas a medio y largo plazo..
Sistemas de riego para campos de golf
• Componentes del sistema
• Evolución de los componentes del sistema
• Mejoras en la eficiencia
• Desarrollo futuro
Componentes del sistema
• Estación de bombeo
• Tubería
• Aspersores
• Sistema de control
Mejoras en los componentes
• Estación de bombeo
– Antes era de velocidad fija
– Las estaciones modernas tienen motores de velocidad
variable con unidad de control de frecuencia variable
– Iguala la salida a la demanda sin desperdiciar
electricidad
Mejoras en los componentes
• Tubería
– Antes era de concreto o asbesto
– Los sistemas modernos utilizan tuberías de PVC o de
polietileno de alta densidad (HDPE)
– Reduce las rupturas y fugas, evitando el desperdicio
de agua
Mejoras en los componentes
• Aspersores
– Mejores boquillas
– Mayor elevación
– Más boquillas
– Opciones de boquillas
– Ajuste de trayectoria
– Espaciado
Mejoras en los componentes
• Espaciado
– Antes se utilizaban una o dos filas, 24 a 30 m (80’ a
100’)
– Ahora se utilizan tres a cinco filas, disposición
triangular, 18 a 21 m (60’ a 70’)
– Espaciado más cerrado, más aspersores, mayor
eficiencia
Mejoras en los componentes
• Controles en campo
– Antes eran mecánicos
– Ahora son electrónicos de estado sólido
– Satelites y Decoficadores
– Cada aspersor se controla en forma independiente
– Sincronización exacta al segundo
Mejoras en los componentes
• Controles centrales
– Antes eran mecánicos, solo arranques controlados
– Ahora hay control por computadora
– Los ajustes diarios son sencillos y se realizan para
optimizar la humedad, lo cual ahorra agua
Mejoras en los componentes
• Controles centrales
– Métodos para realizar ajustes
– Radio UHF
– Teléfono inteligente
– Tableta wifi
Mejoras en los componentes
• Controles centrales
– Gestión de flujo
– Cada ajuste diario es optimizado
– El programa minimiza el costo de bombeo
Mejoras en los componentes
• Datos de cuánto hay que regar
– Evapotranspiración histórica
– Evapotranspiración local: CIMIS
– Evapotranspiración en el sitio: estación meteorológica
– Sensores de humedad en el suelo
Nivel de programa: Turf Guard
Flecha ascendente con número:
cuántas estaciones de área requieren
menos agua según los datos de los
sensores de Turf Guard.
Flecha descendente: cuántas
estaciones de área requieren más
agua según los datos de los
sensores de Turf Guard.
Nivel de área: Turf Guard
Flecha ascendente con número:
cuántas estaciones de área
requieren menos agua según los
datos de los sensores de Turf Guard.
Flecha descendente: cuántas
estaciones de área requieren más
agua según los datos de los
sensores de Turf Guard.
Nivel de estación: Turf Guard
Flecha ascendente: no se requiere agua
Flecha descendente: se requiere agua
1er número Ajuste de límite
2do número Lectura actual de nivel de
humedad
Mejoras en los componentes
Una fila
CU = 82%, DU = 71 %, SC = 1.7
Espaciado cuadrado
CU = 86 %, DU = 74 %, SC = 1.3
23 % MENOS AGUA
Espaciado triangular
CU = 93 %, DU = 89 %, SC = 1.1
15 % MENOS AGUA
Viejo contra nuevo
Viejo sistema de la década de
1980 actualizado al nuevo
sistema
21 % MENOS AGUA
Viejo contra nuevo
Vieja
disposición
rectangular de
doble fila de la
década de
1980
actualizada a la
nueva
disposición
triangular de
varias filas
28 % MENOS
AGUA
Mejoras en la eficiencia
Dado que los nuevos sistemas son hasta un 30 %
más eficientes, un campo de golf que utiliza
• 30 millones de galones AHORRA 8 millones de galones
• 40 millones de galones AHORRA 11 millones de galones
• 50 millones de galones AHORRA 14 millones de galones
¿UN NUEVO SISTEMA DE
RIEGO?
CÁLCULOS SENCILLOS
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¿Percepción o realidad? Enunciado del problema
26 % 26 %
Ayudar a los campos de golf a tomar decisiones mejor
informadas con respecto a los sistemas de riego, cumpliendo
los objetivos de diseño a la vez que se ahorra agua.
Parece sencillo; entonces, ¿por qué es tan difícil?
Consideremos las perspectivas de cuatro grupos de personas involucradas en
este proceso: – Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros)
– Arquitectos
– Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego
– Ecologistas y opinión pública
P: En lo referente al uso de agua en el golf, ¿hay alguien que quiera usar más?
P: En lo referente al costo, ¿hay alguien que quiera que cueste más?
P: Entonces, ¿por qué seguimos complicándonos en estas conversaciones con
respecto a un diseño más eficiente del sistema de riego?
R: Porque la percepción no siempre corresponde a la ciencia.
Debemos ser mejores en entender y explicar los hechos.
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¿Percepción o realidad? Enunciado del problema
26 % 26 %
• Percepciones sobre los sistemas de riego: ¿verdadero o falso? – Si hay menos aspersores, se utilizará menos agua.
– Un “mejor” sistema de riego tiene que costar más y ser caro.
– Los sistemas de riego siempre pueden “adaptarse” para ahorrar dinero.
– Los fabricantes y diseñadores de sistemas de riego siempre exageran en el diseño del sistema.
– Los ecologistas consideran que “todos los campos de golf” desperdician agua.
• ¿Cómo juzgaría o percibiría cada grupo los puntos expuestos arriba? – Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros)
– Arquitectos
– Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego
– Ecologistas y opinión pública
• Sabemos que habrá distintas percepciones pero, ¿qué podemos
hacer al respecto?
• Veamos algunos “cálculos sencillos” que nos ayudarán a explicar y
entender mejor algunas de las percepciones incorrectas.
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Cálculos sencillos Crear el “ejemplo”
26 % 26 %
• Establezca parámetros realistas (sí, cada campo y cada situación son diferentes…)
– Vea un hoyo de golf “típico” y extrapole a un campo de golf de 18 hoyos.
– Use valores reales para las cantidades de agua y todos los costos.
– Revise un diseño básico con un plan de cobertura de tres filas con cantidades y costos.
– Revise un diseño básico con un plan de cobertura de cuatro filas con cantidades y costos.
– Compare las dos opciones y obtenga conclusiones.
• Datos utilizados en el siguiente ejemplo
– El campo de golf es un proyecto real, con menos de dos años de antigüedad.
– Los dos planes de cobertura son disposiciones típicas utilizadas en la actualidad.
– Los costos de los materiales se obtuvieron de cotizaciones recientes de contratistas.
– Los costos de agua y electricidad se obtuvieron de clientes reales con campos de golf y son más representativos del promedio de costos, no de costos extremos.
Requisito de aplicación de agua 5 mm/día 35 mm/semana
Factor anualizado: requisito de agua 32 % o 202 829 m3
Costos de agua $4.85 por 3785 litros (1000 gal)
Costos de electricidad $0.11 por kWh
Precio del contratista para añadir un aspersor $400 todo instalado
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Cálculos sencillos Hoyo de golf “típico”
26 % 26 %
• Acerca de este hoyo de golf “típico” de par 4
• Convirtamos esto a un equivalente de 18 hoyos
Longitud 6 618 m
Greens 14 724 m2
Roughs 157 302 m2
Fairways 166 464 m2
Tees 8 820 m2
Área nativa 83 196 m2
Área total* 347 310 m2
Longitud 367 m
Greens 818 m2
Roughs 8 736 m2
Fairways 9 248 m2
Tees 490 m2
Área nativa 4 622 m2
Área total* 19 295 m2
* - No incluye el área nativa, ya que representa el área de riego deseada.
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Riego sencillo Sistema de tres filas, aspersores de bajo costo de círculo completo
26 % 26 %
• Este hoyo de golf “típico” – Total de aspersores = 69
– Sencillo: todos son aspersores de círculo completo
– La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros
– Las filas exteriores que proyectan agua hacia fuera tienen una cobertura efectiva de aproximadamente el 60 % de su radio.
– La aspersión excesiva fuera de la línea de césped se indica en rojo.
– El área de aspersión excesiva es de 2 418 m2 y utiliza 12 090 litros durante un ciclo normal de 5 mm.
• Veamos un diagrama rápido que ayuda a ilustrar la necesidad de proyección excesiva.
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Riego sencillo Diagrama de cobertura efectiva con tres filas
26 %
Línea de césped que
requiere cobertura de riego
efectiva
Cobertura efectiva
60 % del radio 8 m 12 m
Espaciado de
aspersores
Anchura
regada
Anchura
efectiva
Fila sencilla: 27 m 54 m 32.4 m
Fila doble: 23 m x 23 m 69 m 50.6 m
Fila triple: 20 m x 20 m 80 m 64 m
20 m
El área de la
sección de 8 m
es de 179 m2 por
sección de
aspersor
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Riego sencillo Sistema de tres filas, aspersores de bajo costo de círculo completo
26 % 26 %
• Este hoyo de golf “típico”
– Total de aspersores = 69
– Sencillo: todos son aspersores de círculo completo
– La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros
– Las filas exteriores que proyectan agua hacia fuera requieren una cobertura efectiva para aproximadamente el 60 % de su radio.
– La aspersión excesiva fuera de la línea de césped se indica en rojo.
– El área de aspersión excesiva es de 2 418 m2 y utiliza 12 090 litros durante un ciclo normal de 5 mm.
• Este campo de golf “equivalente a 18 hoyos”
– Total de aspersores = 1242
– Sencillo: todos son aspersores de círculo completo
– La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm sobre todo el campo dentro de la línea de césped de 347 310 m2 es de 1 736.55 m3
– El área de aspersión excesiva es de 43 529 m2 y utiliza 217.65 m3 durante un ciclo normal de 5 mm.
– ¿Alguien puede ver qué está mal y qué podríamos estar omitiendo?
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Riego sencillo Sistema de cuatro filas, aspersores de círculo parcial en los bordes del césped
26 % 26 %
• Este hoyo de golf “típico”
– Total de aspersores = 82
– Combinación de aspersores de círculo completo y de círculo parcial
– La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm en este hoyo dentro de la línea de césped de 19 295 m2 es de 96 495 litros
– NO hay aspersión excesiva, gracias en parte a que los aspersores de círculo parcial riegan únicamente hasta la línea de césped.
• Este campo de golf “equivalente a 18 hoyos”
– Total de aspersores = 1476
– La cantidad de agua necesaria para aplicar 5 mm sobre todo el campo dentro de la línea de césped de
347 310 m2 es de 1 736.55 m3. • Otros beneficios
– Mayor uniformidad de cobertura en todo lo ancho del hoyo.
– No se aplica agua sobre la vegetación nativa, lo que reduce la maleza y los costos de mantenimiento.
– Ahorra hasta 217.65 m3 diarios en un ciclo de riego normal completo, así como la electricidad para bombear el agua.
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Comparaciones 3 filas contra 4 filas
26 % 26 %
3 filas 4 filas
Área regada 347 310 m2 347 310 m2
Agua por ciclo de 5 mm 1954.2 m3 1736.55 m3
Costos adicionales de aspersores Ninguno 234 a $400 = $93 600
Requiere estación de bombeo* 340 m3/h (115 kW) 272 m3/h (92 kW)
Ahorro en costos de bombeo Ninguno 23 kWh
Ahorro en costos de estación de bombeo Ninguno $40 000
Reducción en el tamaño de la tubería de la
línea principal
Ninguno $31 040
Reducción de conectores de la línea principal Ninguno $11 762
Diferencia en el costo inicial neto total +$10 798
Ahorro total en agua ($) Ninguno $33 438
Ahorro anual en electricidad ($) Ninguno $2 387
Diferencia en el costo neto total del 1er año -$25,027
* - Calculado para ambos con una ventana de riego de 8 horas
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Conclusiones La selección de un sistema de cuatro filas en este caso genera beneficios para todos
26 % 26 %
• 234 aspersores adicionales cuestan $10 798 más pero, en un año, generan un ahorro
neto superior a $25 000.
• En 10 años, habrían ahorrado $350 000 y seguirían ahorrando $35 000 anuales.
• Una cobertura más uniforme en toda el área con césped dará como resultado (1)
mejor aspecto estético del césped, (2) condiciones de juego óptimas y (3) mejor salud
agronómica.
• Al NO haber aspersión excesiva a la vegetación nativa (1) se mantiene el aspecto
arquitectónico deseado, (2) se reduce la maleza nativa y (3) se reducen los costos de
mantenimiento asociados.
• Cada año, el campo podría ahorrar más de 25 000 m3 de agua sin reducir el área de
césped o sacrificar el estado del césped.
– 10 años: más de 250 000 m3 de agua ahorrados
• Cada año, el campo ahorraría 22 000 kWh en electricidad.
– 10 años: 220 000 kWh de electricidad ahorrados
• ¿Cómo debería juzgar o percibir cada grupo los puntos expuestos arriba?
– Campo de golf (superintendentes, gerentes del club, miembros)
– Arquitectos
– Fabricantes y diseñadores de sistemas de riego
– Ecologistas y opinión pública
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Cobertura efectiva e inefectiva
26% 26%
3 Row system – causes
scalloped grass lines
4 Row system – full width
coverage – great turf!
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Conclusiones Diseño con la línea de riego sólida en los límites de césped
26 % 26 %
¿Qué aprendimos?
• Malas noticias: los problemas, los costos adicionales y el desperdicio causados por un
diseño ineficiente pueden ser peores que lo que uno espera.
• Buenas noticias: los ahorros obtenidos con un diseño de riego bueno y eficiente pueden
generar importantes ahorros en el sistema, en costos operativos (que será amortizado en
los próximos años según cada caso).
• Si Tú logras entender estos conceptos puedes ayudar a tu club a tomar mejores decisiones.
• Ayude a tu campo a ahorrar dinero cada año.
• Muéstreles cómo una cobertura más uniforme en toda el área con césped dará como
resultado (1) mejor aspecto estético del césped, (2) condiciones de juego óptimas y (3)
mejor salud agronómica.
• Al NO haber aspersión excesiva a la vegetación nativa (1) se mantiene el aspecto
arquitectónico deseado, (2) se reduce la maleza nativa y (3) se reducen los costos de
mantenimiento asociados.
• Demuéstreles a los ecologistas que los sistemas de riego bien diseñados pueden ahorrar
cientos de miles de metros cúbicos de agua cada año y cientos de miles de kWh cada año.
Avances en tecnología de
riego
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Diseño: ¿una mejor opción? Cálculos sencillos
26 % 26 %
¡Gracias!
