Spatial variability patterns of some Vertisol properties at a field scale using standardized data

Spatial variability of Vertisol properties is relevant for identifying those zones with physical degradation. In this sense, one has to face the problem of identifying the origin and distribution of spatial variability patterns. The objectives of the present work were (i) to quantify the spatial structure of different physical properties collected from a Vertisol, (ii) to search for potential correlations between different spatial patterns and (iii) to identify relevant components through multivariate spatial analysis. The study was conducted on a Vertisol (Typic Hapludert) dedicated to sugarcane (Saccharum officinarum L.) production during the last sixty years. We used six soil properties collected from a squared grid (225 points) (penetrometer resistance (PR), total porosity, fragmentation dimension (Df), vertical electrical conductivity (ECv), horizontal electrical conductivity (ECh) and soil water content (WC)). All the original data sets were z-transformed before geostatistical analysis. Three different types of semivariogram models were necessary for fitting individual experimental semivariograms. This suggests the different natures of spatial variability patterns. Soil water content rendered the largest nugget effect (C0 = 0.933) while soil total porosity showed the largest range of spatial correlation (A = 43.92 m). The bivariate geostatistical analysis also rendered significant cross-semivariance between different paired soil properties. However, four different semivariogram models were required in that case. This indicates an underlying co-regionalization between different soil properties, which is of interest for delineating management zones within sugarcane fields. Cross-semivariograms showed larger correlation ranges than individual, univariate, semivariograms (A ≥ 29 m). All the findings were supported by multivariate spatial analysis, which showed the influence of soil tillage operations, harvesting machinery and irrigation water distribution on the status of the investigated area.

Metodología de análisis estadístico de roturas en redes de distribución de agua

La presente Tesis plantea una metodología de análisis estadístico de roturas de tubería en redes de distribución de agua, que analiza la relación entre las roturas y la presión de agua y que propone la implantación de una gestión de presiones que reduzca el número de roturas que se producen en dichas redes. Las redes de distribución de agua se deterioran y una de sus graves consecuencias es la aparición de roturas frecuentes en sus tuberías. Las roturas llevan asociados elevados costes sociales, económicos y medioambientales y es por ello por lo que las compañías gestoras del agua tratan de reducirlas en la medida de lo posible. Las redes de distribución de agua se pueden dividir en zonas o sectores que facilitan su control y que pueden ser independientes o aislarse mediante válvulas, como ocurre en las redes de países más desarrollados, o pueden estar intercomunicados hidráulicamente. La implantación de una gestión de presiones suele llevarse a cabo a través de las válvulas reductoras de presión (VPR), que se instalan en las cabeceras de estos sectores y que controlan la presión aguas abajo de la misma, aunque varíe su caudal de entrada. Los métodos más conocidos de la gestión de presiones son la reducción de presiones, que es el control más habitual, el mantenimiento de la presión, la prevención y/o alivio de los aumentos repentinos de presión y el establecimiento de un control por alturas. A partir del año 2005 se empezó a reconocer el efecto de la gestión de presiones sobre la disminución de las roturas. En esta Tesis, se sugiere una gestión de presiones que controle los rangos de los indicadores de la presión de cabecera que más influyan en la probabilidad de roturas de tubería. Así, la presión del agua se caracteriza a través de indicadores obtenidos de la presión registrada en la cabecera de los sectores, debido a que se asume que esta presión es representativa de la presión de operación de todas las tuberías porque las pérdidas de carga son relativamente bajas y las diferencias topográficas se tienen en cuenta en el diseño de los sectores. Y los indicadores de presión, que se pueden definir como el estadístico calculado a partir de las series de la presión de cabecera sobre una ventana de tiempo, pueden proveer la información necesaria para ayudar a la toma de decisiones a los gestores del agua con el fin de reducir las roturas de tubería en las redes de distribución de agua. La primera parte de la metodología que se propone en esta Tesis trata de encontrar los indicadores de presión que influyen más en la probabilidad de roturas de tuberías. Para conocer si un indicador es influyente en la probabilidad de las roturas se comparan las estimaciones de las funciones de distribución acumulada (FDAs) de los indicadores de presiones, considerando dos situaciones: cuando se condicionan a la ocurrencia de una rotura (suceso raro) y cuando se calculan en la situación normal de operación (normal operación). Por lo general, las compañías gestoras cuentan con registros de roturas de los años más recientes y al encontrarse las tuberías enterradas se complica el acceso a la información. Por ello, se propone el uso de funciones de probabilidad que permiten reducir la incertidumbre asociada a los datos registrados. De esta forma, se determinan las funciones de distribución acumuladas (FDAs) de los valores del indicador de la serie de presión (situación normal de operación) y las FDAs de los valores del indicador en el momento de ocurrencia de las roturas (condicionado a las roturas). Si las funciones de distribución provienen de la misma población, no se puede deducir que el indicador claramente influya en la probabilidad de roturas. Sin embargo, si se prueba estadísticamente que las funciones proceden de la misma población, se puede concluir que existe una relación entre el indicador analizado y la ocurrencia de las roturas. Debido a que el número de valores del indicador de la FDA condicionada a las roturas es mucho menor que el número de valores del indicador de la FDA incondicional a las roturas, se generan series aleatorias a partir de los valores de los indicadores con el mismo número de valores que roturas registradas hay. De esta forma, se comparan las FDAs de series aleatorias del indicador con la FDA condicionada a las roturas del mismo indicador y se deduce si el indicador es influyente en la probabilidad de las roturas. Los indicadores de presión pueden depender de unos parámetros. A través de un análisis de sensibilidad y aplicando un test estadístico robusto se determina la situación en la que estos parámetros dan lugar a que el indicador sea más influyente en la probabilidad de las roturas. Al mismo tiempo, los indicadores se pueden calcular en función de dos parámetros de cálculo que se denominan el tiempo de anticipación y el ancho de ventana. El tiempo de anticipación es el tiempo (en horas) entre el final del periodo de computación del indicador de presión y la rotura, y el ancho de ventana es el número de valores de presión que se requieren para calcular el indicador de presión y que es múltiplo de 24 horas debido al comportamiento cíclico diario de la presión. Un análisis de sensibilidad de los parámetros de cálculo explica cuándo los indicadores de presión influyen más en la probabilidad de roturas. En la segunda parte de la metodología se presenta un modelo de diagnóstico bayesiano. Este tipo de modelo forma parte de los modelos estadísticos de prevención de roturas, parten de los datos registrados para establecer patrones de fallo y utilizan el teorema de Bayes para determinar la probabilidad de fallo cuando se condiciona la red a unas determinadas características. Así, a través del teorema de Bayes se comparan la FDA genérica del indicador con la FDA condicionada a las roturas y se determina cuándo la probabilidad de roturas aumenta para ciertos rangos del indicador que se ha inferido como influyente en las roturas. Se determina un ratio de probabilidad (RP) que cuando es superior a la unidad permite distinguir cuándo la probabilidad de roturas incrementa para determinados intervalos del indicador. La primera parte de la metodología se aplica a la red de distribución de la Comunidad de Madrid (España) y a la red de distribución de Ciudad de Panamá (Panamá). Tras el filtrado de datos se deduce que se puede aplicar la metodología en 15 sectores en la Comunidad de Madrid y en dos sectores, llamados corregimientos, en Ciudad de Panamá. Los resultados demuestran que en las dos redes los indicadores más influyentes en la probabilidad de las roturas son el rango de la presión, que supone la diferencia entre la presión máxima y la presión mínima, y la variabilidad de la presión, que considera la propiedad estadística de la desviación típica. Se trata, por tanto, de indicadores que hacen referencia a la dispersión de los datos, a la persistencia de la variación de la presión y que se puede asimilar en resistencia de materiales a la fatiga. La segunda parte de la metodología se ha aplicado a los indicadores influyentes en la probabilidad de las roturas de la Comunidad de Madrid y se ha deducido que la probabilidad de roturas aumenta para valores extremos del indicador del rango de la presión y del indicador de la variabilidad de la presión. Finalmente, se recomienda una gestión de presiones que limite los intervalos de los indicadores influyentes en la probabilidad de roturas que incrementen dicha probabilidad. La metodología propuesta puede aplicarse a otras redes de distribución y puede ayudar a las compañías gestoras a reducir el número de fallos en el sistema a través de la gestión de presiones. This Thesis presents a methodology for the statistical analysis of pipe breaks in water distribution networks. The methodology studies the relationship between pipe breaks and water pressure, and proposes a pressure management procedure to reduce the number of breaks that occur in such networks. One of the manifestations of the deterioration of water supply systems is frequent pipe breaks. System failures are one of the major challenges faced by water utilities, due to their associated social, economic and environmental costs. For all these reasons, water utilities aim at reducing the problem of break occurrence to as great an extent as possible. Water distribution networks can be divided into areas or sectors, which facilitates the control of the network. These areas may be independent or isolated by valves, as it usually happens in developing countries. Alternatively, they can be hydraulically interconnected. The implementation of pressure management strategies is usually carried out through pressure-reducing valves (PRV). These valves are installed at the head of the sectors and, although the inflow may vary significantly, they control the downstream pressure. The most popular methods of pressure management consist of pressure reduction, which is the common form of control, pressure sustaining, prevention and/or alleviation of pressure surges or large variations in pressure, and level/altitude control. From 2005 onwards, the effects of pressure management on burst frequencies have become more widely recognized in the technical literature. This thesis suggests a pressure management that controls the pressure indicator ranges most influential on the probability of pipe breaks. Operating pressure in a sector is characterized by means of a pressure indicator at the head of the DMA, as head losses are relatively small and topographical differences were accounted for at the design stage. The pressure indicator, which may be defined as the calculated statistic from the time series of pressure head over a specific time window, may provide necessary information to help water utilities to make decisions to reduce pipe breaks in water distribution networks. The first part of the methodology presented in this Thesis provides the pressure indicators which have the greatest impact on the probability of pipe breaks to be determined. In order to know whether a pressure indicator influences the probability of pipe breaks, the proposed methodology compares estimates of cumulative distribution functions (CDFs) of a pressure indicator through consideration of two situations: when they are conditioned to the occurrence of a pipe break (a rare event), and when they are not (a normal operation). Water utilities usually have a history of failures limited to recent periods of time, and it is difficult to have access to precise information in an underground network. Therefore, the use of distribution functions to address such imprecision of recorded data is proposed. Cumulative distribution functions (CDFs) derived from the time series of pressure indicators (normal operation) and CDFs of indicator values at times coincident with a reported pipe break (conditioned to breaks) are compared. If all estimated CDFs are drawn from the same population, there is no reason to infer that the studied indicator clearly influences the probability of the rare event. However, when it is statistically proven that the estimated CDFs do not come from the same population, the analysed indicator may have an influence on the occurrence of pipe breaks. Due to the fact that the number of indicator values used to estimate the CDF conditioned to breaks is much lower in comparison with the number of indicator values to estimate the CDF of the unconditional pressure series, and that the obtained results depend on the size of the compared samples, CDFs from random sets of the same size sampled from the unconditional indicator values are estimated. Therefore, the comparison between the estimated CDFs of random sets of the indicator and the estimated CDF conditioned to breaks allows knowledge of if the indicator is influential on the probability of pipe breaks. Pressure indicators depend on various parameters. Sensitivity analysis and a robust statistical test allow determining the indicator for which these parameters result most influential on the probability of pipe breaks. At the same time, indicators can be calculated according to two model parameters, named as the anticipation time and the window width. The anticipation time refers to the time (hours) between the end of the period for the computation of the pressure indicator and the break. The window width is the number of instantaneous pressure values required to calculate the pressure indicator and is multiple of 24 hours, as water pressure has a cyclical behaviour which lasts one day. A sensitivity analysis of the model parameters explains when the pressure indicator is more influential on the probability of pipe breaks. The second part of the methodology presents a Bayesian diagnostic model. This kind of model belongs to the class of statistical predictive models, which are based on historical data, represent break behavior and patterns in water mains, and use the Bayes’ theorem to condition the probability of failure to specific system characteristics. The Bayes’ theorem allows comparing the break-conditioned FDA and the unconditional FDA of the indicators and determining when the probability of pipe breaks increases for certain pressure indicator ranges. A defined probability ratio provides a measure to establish whether the probability of breaks increases for certain ranges of the pressure indicator. The first part of the methodology is applied to the water distribution network of Madrid (Spain) and to the water distribution network of Panama City (Panama). The data filtering method suggests that the methodology can be applied to 15 sectors in Madrid and to two areas in Panama City. The results show that, in both systems, the most influential indicators on the probability of pipe breaks are the pressure range, which is the difference between the maximum pressure and the minimum pressure, and pressure variability, referred to the statistical property of the standard deviation. Therefore, they represent the dispersion of the data, the persistence of the variation in pressure and may be related to the fatigue in material resistance. The second part of the methodology has been applied to the influential indicators on the probability of pipe breaks in the water distribution network of Madrid. The main conclusion is that the probability of pipe breaks increases for the extreme values of the pressure range indicator and of the pressure variability indicator. Finally, a pressure management which limits the ranges of the pressure indicators influential on the probability of pipe breaks that increase such probability is recommended. The methodology presented here is general, may be applied to other water distribution networks, and could help water utilities reduce the number of system failures through pressure management.

Evaluación del uso y de productividad del agua de la Comunidad de Regantes “Río Adaja”

El agua de riego en España se ha reducido del 80 % al 70% tras la rehabilitación de los sistemas tradicionales de riego y el incremento de riegos a presión. La política española ha favorecido la creación de nuevos regadíos con fines sociales, para asentar a la población rural en zonas con disponibilidad de recursos hídricos. Este contexto es aplicable a la Comunidad de Regantes “Rio Adaja” (CCRR), que comenzó a funcionar en 2010 por lo que se la ha elegido para evaluar el uso y productividad del agua y manejo del riego en CCRR modernizadas de la cuenca del Duero. El estudio del manejo del riego se realizó con evaluaciones de campo, el primer año de funcionamiento, en una muestra de sistemas de riego (pivotes centrales, ramales de avance frontal, cobertura total) representativa de los sistemas predominantes en la CCRR. Además, se analizó la carta de riego propuesta por el fabricante de los pivotes centrales, considerando una distribución de caudal continua a lo largo del ramal, y se propuso una nueva carta con emisores de riego que mejoraban la uniformidad de aplicación del agua. El uso del agua en la CCRR se evaluó considerando tanto los indicadores de eficiencia del riego: suministro relativo de riego (anual relative irrigation supply, ARIS), suministro relativo del agua (anual relativewater supply, ARWS), suministro relativo de precipitación (rainfall relative supply, RRS) como los de productividad: productividad del agua (water productivity, WP) productividad del agua de riego (irrigation water productivity, IWP) y productividad de la evapotranspiración (evapotranspiration water productivity, ETWP). Primero, se determinaron: las necesidades hídricas de los cultivos para mantener un contenido de humedad óptimo en su zona radical, el coeficiente dual del cultivo, el agua disponible total (ADP) y agua fácilmente aprovechable (AFA). Después, se estimaron las necesidades hídricas de los cultivos considerando tres años tipo: húmedo, normal y seco correspondientes a la probabilidad de disponibilidad de la precipitación del 20, 50 y 80%, respectivamente. Así mismo, se realizó una encuesta a los regantes de la CCRR para conocer la dosis de riego y rendimiento anual de los cultivos principales durante sus tres años de funcionamiento: 2010-2011, 2011-2012 y 2012-2013.Finalmente, se simuló el efecto del riego y su manejo en la producción de los cultivos y en la productividad del agua. Además, el modelo de simulación AQUACROP (Geerts et al., 2010) se ha utilizado para estudiar la mejora del uso del agua de los cultivos de la CCRR. Dado que este modelo requiere de calibración específica para cada cultivo y cada zona y dado que, de todos los cultivos de la CCRR, sólo el girasol cumplía el requisito, este cultivo fue elegido para estudiar si la estrategia de riego deficitario mejoraría el uso del agua. Los resultados obtenidos indican que el 90% de los sistemas de riego evaluados distribuye el agua con una uniformidad adecuada (CUC≥75%). La simulación de la distribución del agua con las cartas de riego propuestas por el fabricante en pivotes centrales resultó en coeficientes CUC< 75% y sus valores mejoraban al eliminar el aspersor distal. La uniformidad del riego mejoraría si se trabajase con la carta de riego propuesta y que se compone por emisores de riego seleccionados en este estudio. En la mayoría de los cultivos, se aplicó riegos deficitarios (ARIS < 1 en los dos primeros años de funcionamiento de la CCRR y riegos excedentarios (ARIS > 1) el tercer año siendo significativas las diferencias observadas. El manejo del riego fue bueno (0,9 ≤ ARWS ≤1,2) en la mayoría de los cultivos. Así mismo, los indicadores de productividad del agua (WP e IWP (€.m-3)) varió entre cultivos y años estudiados y, destacan los valores observados en: cebolla, patata, zanahoria y cebada. En general, la productividad del agua en los riegos deficitarios fue mayor observándose además, que los índices de productividad mayores correspondieron al año con precipitación mayor aunque, las diferencias entre sus valores medios no fueron significativas en las tres campañas de riego estudiadas. Los resultados apuntan a que la metodología del balance hídrico y las herramientas presentadas en este trabajo (uniformidad de distribución de agua, indicadores de eficiencia del uso de agua y de su productividad) son adecuadas para estudiar el manejo del agua en CCRR. En concreto, la uniformidad en la aplicación del agua de la CCRR mejoraría seleccionando emisores de riego que proporcionen una mayor uniformidad de distribución del agua, lo que conllevaría a cambiar el diámetro de la boquilla de los emisores y/o eliminar el aspersor distal. Así mismo, puede ser de interés adoptar estrategias de riego deficitario para incrementar la productividad en el uso del agua, y las rentas de los regantes, para lo cual se propone utilizar un patrón de cultivos de referencia. Finalmente, el riego deficitario puede ser una estrategia para mejorar la eficiencia y productividad en el uso del agua de la CCRR siempre que lleve asociado un manejo del riego adecuado que resulta, relativamente, más fácil cuando se dispone de sistemas de riego con una uniformidad de aplicación alta. Sin embargo su aplicación no sería aconsejable en los cultivos de remolacha azucarera, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 75%, y maíz, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 65%. ABSTRACT The irrigation scheme modernization and the increase of sprinkler irrigation area have reduced the irrigation water use from 80 to 70%. The national irrigation policy favored the creation of new irrigation schemes with the purpose to settle the rural population in areas with availability in water resources. Within this context, the irrigation district “Río Adaja” (CCRR) started in 2010 so, it has been chosen as a case study to evaluate the water use and the irrigation management in a modernized CCRR. Several field evaluations were carried out during the first operation year, in a sample of irrigation systems (center pivot, moving lateral and solid set) selected among all the systems in the CCRR. Likewise, the manufacturer irrigation chart for the center pivot systems has been considered and the pressure and discharge distribution along the pivot have been estimated, assuming a continuous flow along the pipe. Then; the sprinkler nozzles were selected order to increase the uniformity on water application. The water use in the CCRR has been assessed by considering the water use efficiency indicators: annual relative irrigation supply (ARIS), annual relative water supply (ARWS), relative rainfall supply (RRS) and also the productivity indicators: water productivity (WP), irrigation water productivity (IWP) and evapotranspiration water productivity (ETWP). On the one hand, it has been determined the crop water requirement (to maintain the optimal soil water content in the rooting zone), the dual crop coefficient, the total available water and the readily available water. The crop water requirement was estimated by considering the typical wet, normal and dry years which correspond to the probability of effective precipitation exceedance of 20, 50 and 80%, respectively. On the other hand, the irrigation depth and crop yield by irrigation campaign have been considered for the main crops in the area. This information was obtained from a farmer’s survey in 2010-2011, 2011-2012 and 2012-2013. For sunflower, the irrigation effect and its management on the crop yield and water productivity have been simulated. Also a deficit irrigation strategy, which improves the water resources, has been determined by means of AQUACROP (FAO). The results showed that 90% of the evaluated irrigation systems have adequate irrigation water application uniformity (CUC ≥ 75%). The CUC values in center pivots, which were calculated using the manufacturer irrigation chart, are below < 75% . However, these values would increase with the change of emitter nozzle to the proposed nozzles selection. The results on water use showed a deficit irrigation management (ARIS < 1), in most of crops during the first two operation years, and an excess in irrigation for the third year (ARIS > 1) although non-significant difference was observed. In most cases, the management of irrigation is adequate (0,9≤ ARWS≤ 1,2) although there are differences among crops. Likewise, the productivity indicators (WP and IWP (€.m-3)) varied among crops and with irrigation events. The highest values corresponded to onion, potato, carrot and barley. The values for deficit irrigation were the highest and the productivity indicators increased the year with the highest effective precipitation. Nevertheless, the differences between the average values of these indicators by irrigation campaign were non-significant. This study highlights that the soil water balance methodology and other tools used in the methodology are adequate to study the use and productivity of water in the irrigation district. In fact, the water use in this CCRR can be improved if the irrigation systems were designed with higher water distribution uniformity what would require the change of sprinkler nozzles and/or eliminate the end gun. Likewise, it is advisable to set up deficit irrigation strategies to increase the water productivity taking into account certain limits on water application uniformities. In this respect, a reference cropping pattern has been proposed and the limits for water uniformity have been calculated for several crops.

Compatibilidad del principio de óptimo de Bellman con los métodos secuenciales de optimización de redes de tuberías

En el proceso de cálculo de redes de tuberías se maneja un conjunto de variables con unas características muy peculiares, ya que son discretas y estandarizadas. Por lo tanto su evolución se produce por escalones (la presión nominal, el diámetro y el costo de los tubos). Por otro lado la presión de diseño de la red es una función directa de la presión de cabecera. En el proceso de optimización mediante programación dinámica la presión de cabecera se va reduciendo gradualmente en cada secuencia del proceso, haciendo que evolucione a la par la presión de diseño, lo que genera a su vez saltos discriminados en la presión nominal de los tramos, y con ello en su costo y en su gradiente de cambio. En esta tesis doctoral se analiza si estos cambios discriminados que se producen en el gradiente de cambio de algunos tramos en el curso de una secuencia, ocasionados por la evolución de la presión de cabecera de la red, generan interferencias que alteran el proceso secuencial de la programación dinámica. La modificación del gradiente de cambio durante el transcurso de una secuencia se conoce con el nombre de mutación, la cual puede ser activa cuando involucra a un tramo optimo modificando las condiciones de la transacción o pasiva si no crea afección alguna. En el análisis realizado se distingue entre la mutación del gradiente de cambio de los tramos óptimos (que puede generarse exclusivamente en el conjunto de los trayectos que los albergan), y entre los efectos que el cambio de timbraje produce en el resto de los tramos de la red (incluso los situados aguas abajo de los nudos con holgura de presión nula) sobre el mecanismo iterativo, estudiando la compatibilidad de este fenómeno con el principio de óptimo de Bellman. En el proceso de investigación llevado a cabo se destaca la fortaleza que da al proceso secuencial del método Granados el hecho de que el gradiente de cambio siempre sea creciente en el avance hacia el óptimo, es decir que el costo marginal de la reducción de las pérdidas de carga de la red que se consigue en una iteración siempre sea más caro que el de la iteración precedente. Asimismo, en el estudio realizado se revisan los condicionantes impuestos al proceso de optimización, incluyendo algunos que hasta ahora no se han tenido en cuenta en los estudios de investigación, pero que están totalmente integrados en la ingeniería práctica, como es la disposición telescópica de las redes (reordenación de los diámetros de mayor a menor de cabeza a cola de la red), y la disposición de un único diámetro por tramo, en lugar de que estén compartidos por dos diámetros contiguos (con sus salvedades en caso de tramos de gran longitud, o en otras situaciones muy específicas). Finalmente se incluye un capítulo con las conclusiones, aportaciones y recomendaciones, las cuales se consideran de gran utilidad para la ingeniería práctica, entre las que se destaca la perfección del método secuencial, la escasa transcendencia de las mutaciones del gradiente de cambio y la forma en que pueden obviarse, la inocuidad de las mutaciones pasivas y el cumplimiento del principio de Bellman en todo el proceso de optimización. The sizing process of a water distribution network is based on several variables, being some of them special, as they are discrete and their values are standardized: pipe pressure rating, pipe diameter and pipe cost. On another note, the sizing process is directly related with the pressure at the network head. Given that during the optimization by means of the Granados’ Method (based on dynamic programming) the pressure at the network head is being gradually reduced, a jump from one pipe pressure rating to another may arise during the sequential process, leading to changes on the pipe cost and on the gradient change (unitary cost for reducing the head losses). This chain of changes may, in turn, affect the sequential process diverting it from an optimal policies path. This thesis analyses how the abovementioned alterations could influence the results of the dynamic programming algorithm, that is to say the compatibility with the Bellman’s Principle of Optimality, which states that the sequence has to follow a route of optimal policies, and that past decisions should not influence the remaining ones. The modification of the gradient change is known as mutation. Mutations are active when they affect the optimal link (the one which was selected to be changed during iteration) or passive when they do not alter the selection of the optimal link. The thesis analysed the potential mutations processes along the network, both on the optimal paths and also on the rest of the network, and its influence on the final results. Moreover, the investigation analysed the practical restrictions of the sizing process that are fully integrated in the applied engineering, but not always taken into account by the optimization tools. As the telescopic distribution of the diameters (i.e. larger diameters are placed at the network head) and the use of a unique diameter per link (with the exception of very large links, where two consecutive diameters may be placed). Conclusions regarding robustness of the dynamic programming algorithm are given. The sequence of the Granados Method is quite robust and it has been shown capable to auto-correct the mutations that could arise during the optimization process, and to achieve an optimal distribution even when the Bellman’s Principle of Optimality is not fully accomplished. The fact that the gradient change is always increasing during the optimization (that is to say, the marginal cost of reducing head losses is always increasing), provides robustness to the algorithm, as looping are avoided in the optimization sequence. Additionally, insight into the causes of the mutation process is provided and practical rules to avoid it are given, improving the current definition and utilization of the Granados’ Method.

Respuesta fisiológica, productiva y cualitativa del cultivar Syrah (Vitis vinifera L) con diferentes frecuencias de riego y densidad de goteros en suelos arcillosos

La disponibilidad hídrica es uno de los principales factores que determinan el rendimiento del viñedo en muchas regiones vitícolas, por lo que sus consecuencias han sido ampliamente estudiadas. Sin embargo, para una cantidad de agua de riego determinada, otros aspectos como la frecuencia de aplicación, o la combinación entre el caudal de los goteros y la distancia entre los mismos (es decir, el patrón de distribución de agua en el suelo), pueden jugar un papel relevante, pero estos factores han sido poco estudiados. El objetivo de este trabajo ha sido evaluar las implicaciones agronómicas y fisiológicas de dos frecuencias de riego (IrrF, cada 2 y 4 días) y dos patrones de distribución de agua (DisP, goteros de 2 L h-1 separados 0,6 m vs. goteros de 4 L h-1 separados 1,2 m). El experimento se llevó a cabo durante cuatro temporadas consecutivas en un viñedo cv. Syrah con un suelo arcilloso en el centro de España, y los dos factores fueron evaluados bajo dos condiciones de disponibilidad hídrica (Baja: 20% de ETo y Media: 40% de ETo). El efecto de la frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en la respuesta agronómica del cv. Syrah se ha estudiado en el capítulo 1. La frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en el suelo afectaron a algunos aspectos de los componentes de rendimiento y desarrollo vegetativo en las dos condiciones de disponibilidad hídrica, aunque los efectos observados no fueron los mismos todos los años. Los efectos fueron más evidentes para IrrF en condiciones de baja disponibilidad hídrica y para DisP en condiciones de disponibilidad hídrica media. Dos de los cuatro años del experimento, el pasar de frecuencia de riego de 2 días a 4 días causó un incremento medio de rendimiento del 20% para la situación de baja disponibilidad hídrica. La textura del suelo, sin duda ha condicionado los resultados obtenidos en los tratamientos regados con el 20% de la ETo, ya que regar cada dos días implicaba la aplicación de pequeñas cantidades de agua y se formaban bulbos de riego superficiales, probablemente favoreciendo las pérdidas por evaporación. En el capítulo 2, se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego y del patrón de distribución de agua en el estado hídrico de la planta y el intercambio gaseoso a nivel de hoja con el fin de explicar las diferencias observadas en la respuesta agronómica. En lo que respecta a la frecuencia de riego, en condiciones de baja disponibilidad hídrica, las plantas regadas cada 4 días (plantas 4d), mostraron mayores tasas de asimilación neta y conductancia estomática que las plantas regadas cada 2 días (plantas 2d), lo que es consistente con la hipótesis de que con la frecuencia de riego de 2 días se produjo una pérdida de eficiencia del uso del agua, probablemente debido a una mayor evaporación como consecuencia del hecho de que el volumen de suelo mojado creado era pequeño y cerca de la superficie. En condiciones de disponibilidad hídrica media, las diferencias en el intercambio gaseoso a nivel de hoja fueron mucho más pequeñas. Al comienzo del verano cada frecuencia de riego se comportó mejor uno de los días de medida, compensando al final del ciclo de riego de 4 días. Sin embargo, a medida que avanzó el verano y el déficit de agua se hizo más alto, las diferencias significativas aparecieron sólo en el 'día 4' del ciclo de riego, cuando las plantas 2d se comportaron mejor que las plantas regadas 4d que llevaban tres días sin regarse. Estas diferencias fisiológicas fueron menores que en condiciones de baja disponibilidad hídrica y al parecer no suficientes para afectar el comportamiento agronómico. En cuanto al patrón de distribución de agua, el efecto fue poco significativo, pero la mayor densidad de goteros tendió a presentar un mayor intercambio gaseoso a nivel de hoja, especialmente a media mañana. El efecto fue más importante para las condiciones de disponibilidad hídrica media. En el capítulo 3, se han comparado las relaciones entre el intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico y la demanda atmosférica, con el fin de explicar los cambios en la intensidad de la respuesta fisiológica observados en el Capítulo 2. No se han encontrado diferencias en dichas relaciones para el patrón de distribución de agua, por lo que sólo se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego. El estudio se ha centrado fundamentalmente en si las plantas mostraron una respuesta fisiológica diferente a los cambios en el estado hídrico y en la demanda atmosférica según el tiempo transcurrido desde el último riego. Las diferencias observadas explican los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, y sugieren la existencia de procesos de aclimatación vinculados a la frecuencia de riego y a la disponibilidad hídrica. Las plantas bajo condiciones de baja disponibilidad hídrica se mostraron más aclimatadas al estrés hídrico que aquellas en condiciones de disponibilidad hídrica media. La frecuencia de riego afectó claramente la relación entre los parámetros de intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico de la planta y las condiciones atmosféricas, y junto con la cantidad de agua aplicada tuvo implicaciones en el desarrollo de mecanismos de aclimatación que afectaron a la respuesta fisiológica de la planta, afectando a la eficiencia del riego. ABSTRACT Water availability is one of the major factors that determine vineyard performance in many grape growing regions, so its implications have been widely studied before. However, for a given irrigation water amount, other aspects such as application frequency, or emitter spacing and flow rate (i.e., distribution pattern), may play a relevant role, but these factors have been scarcely studied. The aim of this work was to evaluate the agronomic and physiological implications of two irrigation frequencies (IrrF, every 2 and 4 days) and two water distribution patterns (DisP, 2 L h−1 emitters every 0.6 m vs. 4 L h−1 emitters every 1.2 m). The experiment was carried out during four consecutive seasons in a cv. Syrah vineyard with a clay soil in central Spain, and the two factors were evaluated under two water availability conditions (LOW WA: 20% of ETo and MEDIUM WA: 40% of ETo). The effect of irrigation frequency and water distribution pattern on the agronomical response of cv. Syrah was studied in Chapter 1. IrrF and DisP affected some aspects of vegetative development and yield components under both water availability conditions, although the effects observed were not the same every year. The effects were more evident for IrrF under low water availability and for DisP under medium water availability. Two out of the four years of the experiment, the change of irrigation frequency from 2 days to 4 days promoted an average yield increase of 20% for the LOW WA situation. Soil texture certainly conditioned the results obtained under LOW WA conditions, since high frequency irrigation implied applying small amounts of water that resulted in limited superficial water bulbs, which probably favored water evaporation. In Chapter 2, the effect of irrigation frequency and water distribution pattern on plant water status and leaf gas exchange was analyzed to explain the differences observed in the agronomical response. Concerning irrigation frequency, under LOW WA conditions, applying irrigation every 4 days, resulted in higher net assimilation rates and stomatal conductance than doing it every 2 days, supporting the hypothesis that the latter frequency resulted in a water use efficiency loss, probably due to higher evaporation as a consequence of the fact the wetted soil volume created was small and close to the surface. Under MEDIUM WA conditions, differences in leaf gas exchange were much smaller. At the beginning of the summer each irrigation frequency behaved better one of the measurements days, compensating at the end of the 4-day irrigation cycle. However, as the summer progressed and water deficit became higher, significant differences appeared only on ‘day 4’ of the irrigation cycle, when 2d plants behaved better than 4d plants. These physiological differences were smaller than under LOW WA conditions and apparently not sufficient to affect agronomical performance. Regarding water distribution pattern, the effect was less significant but the closest emitter spacing resulted in general terms in a higher leaf gas exchange, especially at midmorning. The effect was more noticeable for MEDIUM WA conditions. In Chapter 3, the relationships between leaf gas exchange and leaf water status and atmospheric demand were compared to explain the changes in the intensity of the physiological response observed in Chapter 2. No differences were found in the relationships for water distribution pattern, so only the effect of irrigation frequency was analyzed focusing on whether the plants have a different physiological response to changes in water status and atmospheric demand according to the time elapsed since the last irrigation. Differences observed in the relationships explained the results obtained in the previous chapters, and point at the occurrence of acclimation processes linked to irrigation frequency and to water availability. Plants under LOW WATER AVAILABILITY conditions seemed to be more acclimated to water stress than those under MEDIUM WATER AVAILABILITY conditions. Irrigation frequency clearly affected the relationship between leaf gas exchange parameters, plant water status and atmospheric conditions, and together with the amount of water applied had implications in the development of acclimation mechanisms that affected plant physiological response, thus affecting irrigation efficiency.

Análise de incerteza de um sistema automatizado para ensaios de aspersores de irrigação

Ensaios de distribuição de água de aspersores são convencionalmente realizados manualmente, requerendo tempo e mão de obra treinada. A automação desses ensaios proporciona redução da demanda por esses recursos e apresenta potencial para minimizar falhas e/ou desvios de procedimento. Atualmente, laboratórios de ensaio e calibração acreditados junto a organismos legais devem apresentar em seus relatórios a incerteza de medição de seus instrumentos e sistemas de medição. Além disso, normas de ensaio e calibração apresentam especificação de incerteza aceitável, como a norma de ensaios de distribuição de água por aspersores, ISO 15886-3 (2012), a qual exige uma incerteza expandida de até 3% em 80% dos coletores. Os objetivos deste trabalho foram desenvolver um sistema automatizado para os ensaios de aspersores em laboratório e realizar a análise de incerteza de medição, para sua quantificação nos resultados de ensaio e para dar suporte ao dimensionamento dos tubos de coleta. O sistema automático foi constituído por um subsistema de gerenciamento, por meio de um aplicativo supervisório, um de pressurização e um de coleta, por meio de módulos eletrônicos microprocessados desenvolvidos. De acordo com instruções do sistema de gerenciamento o sistema de pressurização ajustava a pressão no aspersor por meio do controle da rotação da motobomba, e o sistema de coleta realizava a medição da intensidade de precipitação de água ao longo do raio de alcance do aspersor. A água captada por cada coletor drenava para um tubo de coleta, que estava conectado a uma das válvulas solenoides de um conjunto, onde havia um transmissor de pressão. Cada válvula era acionada individualmente numa sequência para a medição do nível de água em cada tubo de coleta, por meio do transmissor. Por meio das análises realizadas, as menores incertezas foram obtidas para os menores diâmetros de tubo de coleta, sendo que se deve utilizar o menor diâmetro possível. Quanto ao tempo de coleta, houve redução da incerteza de medição ao se aumentar a duração, devendo haver um tempo mínimo para se atingir a incerteza-alvo. Apesar de cada intensidade requer um tempo mínimo para garantir a incerteza, a diferença mínima de nível a ser medida foi a mesma. Portanto, para os ensaios visando atender a incerteza, realizou-se o monitoramento da diferença de nível nos tubos, ou diferença de nível, facilitando a realização do ensaio. Outra condição de ensaio considerou um tempo de coleta para 30 voltas do aspersor, também exigido pela norma ISO 15886-3 (2012). A terceira condição considerou 1 h de coleta, como tradicionalmente realizado. As curvas de distribuição de água obtidas por meio do sistema desenvolvido foram semelhantes às obtidas em ensaios convencionais, para as três situações avaliadas. Para tempos de coleta de 1 h ou 30 voltas do aspersor o sistema automático requereu menos tempo total de ensaio que o ensaio convencional. Entretanto, o sistema desenvolvido demandou mais tempo para atingir a incerteza-alvo, o que é uma limitação, mesmo sendo automatizado. De qualquer forma, o sistema necessitava apenas que um técnico informasse os parâmetros de ensaio e o acionasse, possibilitando que o mesmo alocasse seu tempo em outras atividades.