Optimización del uso del agua en sistemas agrícolas mediante la delimitación de zona de manejo y un modelo de optimización de riego a tasa variable

Abstract

La creciente escasez hídrica y la alta heterogeneidad edáfica presente en los sistemas agrícolas chilenos han generado la necesidad de desarrollar herramientas que permitan optimizar el uso del agua sin comprometer el desempeño productivo de los cultivos. En este contexto, la presente tesis propone la formulación e implementación de un modelo de optimización de riego a tasa variable (RTV) orientado a optimizar la asignación del recurso hídrico en un predio agrícola heterogéneo, integrando técnicas de agricultura de precisión, simulación del crecimiento de cultivos y optimización matemática. La metodología se estructura en tres etapas principales. En primer lugar, se desarrolla un modelo de programación lineal entera para la delimitación de zonas de manejo homogéneas, utilizando indicadores edáficos relevantes y criterios explícitos de homogeneidad, lo que permite representar adecuadamente la variabilidad espacial del suelo. En segundo lugar, se implementa un Modelo de Simulación de Crecimiento de Cultivos (MSCC) basado en funciones de respuesta al riego, mediante el cual se estiman el rendimiento y la calidad del cultivo de frutilla en función del volumen de agua aplicado en cada zona. Finalmente, se formula y resuelve un modelo de optimización de riego a tasa variable, cuyo objetivo es determinar la cuota óptima de riego por zona, incorporando restricciones agronómicas y penalizaciones asociadas al incumplimiento del criterio de homogeneidad. Los resultados del caso de estudio muestran que(...).

The increasing water scarcity and the high soil heterogeneity present in Chilean agricultural systems have created the need to develop tools that optimize water use without compromising crop performance. In this context, this thesis proposes the formulation and implementation of a Variable Rate Irrigation (VRI) Optimization Model aimed at optimizing water allocation in a heterogeneous agricultural field by integrating precision agriculture techniques, crop growth simulation, and mathematical optimization. The methodology is structured into three main stages. First, an integer linear programming model is developed for the delineation of homogeneous management zones using relevant soil indicators and explicit homogeneity criteria, allowing an adequate representation of soil spatial variability. Second, a Crop Growth Simulation Model (CGSM) based on irrigation response functions is implemented to estimate strawberry crop yield and quality according to the volume of water applied in each zone. Finally, a variable rate irrigation optimization model is formulated and solved with the objective of determining the optimal irrigation allocation for each zone while incorporating agronomic constraints and penalties associated with non-compliance with the homogeneity criterion. The results of the case study show that(...).