Optimización de redes de agua aplicadas a la agricultura

Abstract

In the present work, an optimization model based on mathematical programming for the integration of water in agriculture is presented. Thus, the proposed methodology is applied for the reuse and recycling of water. The proposed model is based on a superstructure that considers all configurations of interest to find the optimal distribution of water available in a set of crops. In this sense, this approach includes the possibility of installing pumps, pipes and storage tanks in order to store and distribute water at different periods of irrigation. The objective function is to minimize the total annual cost consisting in the cost of the total amount of water used, the cost of capital and operating cost of the equipment used in the process and transportation costs associated to the water system. On the other hand, two types of uncertainties were considered, the first one associated with the amount of water available for this activity and the other considered the cost of water resources, thus, it generates a broader view of the problem. All this would lead to greater availability of water for agricultural use and decrease the deterioration of natural reservoirs. Therefore, the optimization model is solved as a mixed integer nonlinear optimization problem, which considers simultaneously the configuration and optimal operating conditions of the systems under study. The model was coded in the GAMS platform and a case study was solved for the state of Sinaloa.

En el presente trabajo se plantea un modelo de optimización basado en programación matemática para la integración del agua empleada en la agricultura. Para esto se propone una metodología en la cual se aplica su reúso y reciclo; el modelo propuesto está basado en una superestructura que considera todas las configuraciones de interés para encontrar la distribución óptima del agua disponible en un conjunto de cultivos, considerando su reutilización. En ese sentido, se incluye la posibilidad de la instalación de bombas, tuberías y tanques de almacenamiento y distribución del agua en los diferentes periodos de riego. La función objetivo consiste en minimizar el costo de la red de distribución de agua, la cual se conforma por el costo de la cantidad de agua total utilizada, el costo de capital y el costo de operación de los equipos usados en el proceso. Por otro lado, se manejan dos tipos de incertidumbres, una asociada a la cantidad de agua disponible para esta actividad y otra que considera su costo, de esta manera podemos tener una visión más amplia del problema. Todo esto nos llevaría a lograr una mayor disponibilidad de agua para uso agrícola, así como disminuir el deterioro de los reservorios naturales. Por tal motivo, el modelo de optimización se resuelve como un problema de optimización mixto entero no lineal, el cual considera simultáneamente la configuración y las condiciones de operación óptimas de los sistemas bajo estudio. El modelo codifico en la plataforma de GAMS y se resolvió un caso de estudio para el estado de Sinaloa. Se encontró que la implementación de este tipo de metodología puede reducir hasta un 40% el consumo de agua fresca utilizada.