{"id":{"repo_id":"upc-spain","oai_identifier":"oai:repositorio.upct.es:10317/13129"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/upc-spain/oai:repositorio.upct.es:10317/13129","repository":{"repo_id":"upc-spain","name":"Universidad Politécnica de Cartagena","base_url":"http://repositorio.upct.es/oai/request"},"display":{"title":"Evaluación y validación de tecnologías y herramientas para la gestión sostenible del riego con agua marina desalinizada en parcela","abstract":"[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la agricultura de las regiones áridas y semiáridas, la escasez de recursos hídricos y su variable disponibilidad han conducido al desarrollo de técnicas destinadas al uso eficiente y ahorro de agua. Entre ellas, las estrategias de riego por goteo y deficitario, los sistemas de cultivo hidropónico, el uso de coberturas de balsas para reducir las pérdidas por evaporación o el telecontrol de los sistemas de riego, se han consolidado como métodos eficaces para garantizar el ahorro de agua. Sin embargo, si bien estas técnicas permiten un uso más eficiente de recursos, en ningún caso permiten incrementar su disponibilidad. Para ello resulta necesario implementar nuevas soluciones que aseguren el mantenimiento y la sostenibilidad de la agricultura de regadío incrementando el volumen de agua disponible; entre ellas destaca el uso de recursos hídricos no convencionales. En la actualidad, los recursos no convencionales de mayor relevancia son (i) el agua reutilizada procedente de la depuración y regeneración de aguas urbanas, (ii) el agua salobre o subterránea y (iii) el agua marina desalinizada (AMD), los cuales proporcionan volúmenes complementarios a los tradicionalmente utilizados en el riego. Sin embargo, el cambiante suministro de estos recursos y sus singulares características (físico-químicas) dan lugar a un agua de riego con una variable, y en ocasiones problemática, composición. En concreto, el uso directo de AMD en el riego agrícola se puede ver limitado debido a su reducida conductividad eléctrica, su escaso contenido nutricional y a la elevada concentración de determinados elementos, como el boro, el cloro o el sodio, los cuales pueden resultar fitotóxicos para especies sensibles; este último aspecto resulta uno de los más destacables. El umbral de fitotoxicidad por boro para los cultivos sensibles se sitúa en torno a 0,5 mg/L, mientras que el AMD promedio disponible en España puede doblar dicha concentración de manera En la actualidad, y como única solución práctica, los agricultores se ven obligados a realizar mezclas de diferentes aguas para adecuar su singular composición a los requerimientos de cada cultivo, lo cual dificulta los ajustes nutricionales, y por ende la fertirrigación. La aplicación de determinados sistemas y tecnologías a nivel de parcela resulta un aspecto realmente novedoso, y la estimación y análisis económico de su implantación no están apenas estudiadas. A su vez, la optimización de técnicas y herramientas ya presentes puede suponer un punto de inflexión en el empleo sostenible del agua, pilar fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas de cualquier región con escasez de recursos hídricos. En este contexto, lograr un manejo sostenible de los recursos hídricos disponibles y hacer frente a las dificultades que presenta el uso del AMD en el riego agrícola, son el objeto principal de esta tesis doctoral. La tesis se presenta como un compendio de tres publicaciones, y se divide en dos principales líneas de investigación: (i) la implementación y evaluación de sistemas para la reducción de boro en AMD en parcela (artículos 1 y 2), y (ii) el desarrollo, análisis y aplicación de un cabezal de riego tecnificado e inteligente para el manejo óptimo de aguas de riego y fertilizantes de variable composición (artículo 3). En primer lugar, la publicación Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain (epígrafe 4.1), presenta la evaluación técnica y económica de un equipo de membranas de ósmosis inversa (OI). El estudio analiza el efecto de la temperatura, pH y presión del agua de alimentación en la capacidad de las membranas para reducir la concentración de boro en un AMD con niveles en torno a 1,0 mg/L. Los resultados muestran que, con independencia del rango de temperaturas considerado, el incremento de pH hasta valores de 9,5 y de presión hasta 9 bar permite reducir la concentración de boro por debajo del umbral de fitotoxicidad de los cultivos sensibles, pero disminuyendo también la presencia del resto de iones, debido a su baja especificidad por dicho elemento. El análisis económico evidencia que el escalado del prototipo experimental hasta sistemas con una producción de 20 40 m3/h, reduce los costes de operación hasta valores que pueden resultar competitivos ( 3). La segunda publicación (epígrafe 4.2 Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain viabilidad de un equipo de resinas de intercambio iónico para reducir boro en AMD. En este caso, y al contrario que las membranas de OI, la resina presenta una total selectividad por el boro y una aparente independencia de la temperatura del agua de alimentación. Además, tampoco requiere de variaciones de pH o presión para mejorar el porcentaje de retención, mostrando costes específicos inferiores al proceso de ósmosis tras el escalado del sistema 3). Éste también ha demostrado otras ventajas, como el sencillo mantenimiento del equipo o el irrisorio volumen de residuo generado en comparación con la OI. Finalmente, la tercera publicación (epígrafe 4.3 Evaluation of an autonomous Smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation wáter analiza el desarrollo e implementación de un cabezal de riego tecnificado, que logra mejorar la gestión de las distintas aguas de riego disponibles, además de disminuir el consumo y coste de fertilizantes. El sistema, conformado por los elementos necesarios para el control y suministro de agua y fertilizantes, está conectado con una aplicación web y una base de datos de usuario. Éste es capaz de elaborar un plan de fertirrigación óptimo y de controlar el volumen y tiempo de fertirriego, superando los inconvenientes de emplear aguas de riego de composición variable que requieren de continuas mezclas para evitar deficiencias o excesos de determinados elementos, de forma completamente autónoma. El sistema se muestra técnica y económicamente viable para la gestión de recursos en parcela. Las tecnologías y herramientas analizadas se muestran técnicamente viables y económicamente prometedoras, especialmente al escalar la producción de los prototipos evaluados. Su implementación ha logrado gestionar las distintas problemáticas del riego con AMD, y ha facilitado el manejo de los recursos hídricos y fertilizantes sin riesgo de provocar efectos perjudiciales en el cultivo. Sin embargo, el estudio muestra la existencia de dos grandes desventajas: (i) el elevado precio del AMD ( 0,60 3) dificulta la implantación de sistemas para la reducción de boro a nivel de parcela, los cuales incrementan el precio del agua de riego final hasta valores inasequibles para la mayoría de los cultivos; y (ii) la limitada disponibilidad de tecnologías de fácil acceso y usabilidad para la gestión del fertirriego, sumado al considerable coste de algunas de ellas, dificultan la adopción de estas herramientas por parte de los agricultores. No obstante, los resultados obtenidos son realmente prometedores, y abren las puertas a futuras líneas de investigación centradas en la optimización de los sistemas evaluados y en la implementación de tecnologías alternativas y sistemas híbridos, de menor complejidad técnica, que superen sus inconvenientes y faciliten el manejo de recursos a nivel de parcela.","abstract_html":"[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la agricultura de las regiones áridas y semiáridas, la escasez de recursos hídricos y su variable disponibilidad han conducido al desarrollo de técnicas destinadas al uso eficiente y ahorro de agua. Entre ellas, las estrategias de riego por goteo y deficitario, los sistemas de cultivo hidropónico, el uso de coberturas de balsas para reducir las pérdidas por evaporación o el telecontrol de los sistemas de riego, se han consolidado como métodos eficaces para garantizar el ahorro de agua. Sin embargo, si bien estas técnicas permiten un uso más eficiente de recursos, en ningún caso permiten incrementar su disponibilidad. Para ello resulta necesario implementar nuevas soluciones que aseguren el mantenimiento y la sostenibilidad de la agricultura de regadío incrementando el volumen de agua disponible; entre ellas destaca el uso de recursos hídricos no convencionales. En la actualidad, los recursos no convencionales de mayor relevancia son (i) el agua reutilizada procedente de la depuración y regeneración de aguas urbanas, (ii) el agua salobre o subterránea y (iii) el agua marina desalinizada (AMD), los cuales proporcionan volúmenes complementarios a los tradicionalmente utilizados en el riego. Sin embargo, el cambiante suministro de estos recursos y sus singulares características (físico-químicas) dan lugar a un agua de riego con una variable, y en ocasiones problemática, composición. En concreto, el uso directo de AMD en el riego agrícola se puede ver limitado debido a su reducida conductividad eléctrica, su escaso contenido nutricional y a la elevada concentración de determinados elementos, como el boro, el cloro o el sodio, los cuales pueden resultar fitotóxicos para especies sensibles; este último aspecto resulta uno de los más destacables. El umbral de fitotoxicidad por boro para los cultivos sensibles se sitúa en torno a 0,5 mg/L, mientras que el AMD promedio disponible en España puede doblar dicha concentración de manera En la actualidad, y como única solución práctica, los agricultores se ven obligados a realizar mezclas de diferentes aguas para adecuar su singular composición a los requerimientos de cada cultivo, lo cual dificulta los ajustes nutricionales, y por ende la fertirrigación. La aplicación de determinados sistemas y tecnologías a nivel de parcela resulta un aspecto realmente novedoso, y la estimación y análisis económico de su implantación no están apenas estudiadas. A su vez, la optimización de técnicas y herramientas ya presentes puede suponer un punto de inflexión en el empleo sostenible del agua, pilar fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas de cualquier región con escasez de recursos hídricos. En este contexto, lograr un manejo sostenible de los recursos hídricos disponibles y hacer frente a las dificultades que presenta el uso del AMD en el riego agrícola, son el objeto principal de esta tesis doctoral. La tesis se presenta como un compendio de tres publicaciones, y se divide en dos principales líneas de investigación: (i) la implementación y evaluación de sistemas para la reducción de boro en AMD en parcela (artículos 1 y 2), y (ii) el desarrollo, análisis y aplicación de un cabezal de riego tecnificado e inteligente para el manejo óptimo de aguas de riego y fertilizantes de variable composición (artículo 3). En primer lugar, la publicación Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain (epígrafe 4.1), presenta la evaluación técnica y económica de un equipo de membranas de ósmosis inversa (OI). El estudio analiza el efecto de la temperatura, pH y presión del agua de alimentación en la capacidad de las membranas para reducir la concentración de boro en un AMD con niveles en torno a 1,0 mg/L. Los resultados muestran que, con independencia del rango de temperaturas considerado, el incremento de pH hasta valores de 9,5 y de presión hasta 9 bar permite reducir la concentración de boro por debajo del umbral de fitotoxicidad de los cultivos sensibles, pero disminuyendo también la presencia del resto de iones, debido a su baja especificidad por dicho elemento. El análisis económico evidencia que el escalado del prototipo experimental hasta sistemas con una producción de 20 40 m3/h, reduce los costes de operación hasta valores que pueden resultar competitivos ( 3). La segunda publicación (epígrafe 4.2 Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain viabilidad de un equipo de resinas de intercambio iónico para reducir boro en AMD. En este caso, y al contrario que las membranas de OI, la resina presenta una total selectividad por el boro y una aparente independencia de la temperatura del agua de alimentación. Además, tampoco requiere de variaciones de pH o presión para mejorar el porcentaje de retención, mostrando costes específicos inferiores al proceso de ósmosis tras el escalado del sistema 3). Éste también ha demostrado otras ventajas, como el sencillo mantenimiento del equipo o el irrisorio volumen de residuo generado en comparación con la OI. Finalmente, la tercera publicación (epígrafe 4.3 Evaluation of an autonomous Smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation wáter analiza el desarrollo e implementación de un cabezal de riego tecnificado, que logra mejorar la gestión de las distintas aguas de riego disponibles, además de disminuir el consumo y coste de fertilizantes. El sistema, conformado por los elementos necesarios para el control y suministro de agua y fertilizantes, está conectado con una aplicación web y una base de datos de usuario. Éste es capaz de elaborar un plan de fertirrigación óptimo y de controlar el volumen y tiempo de fertirriego, superando los inconvenientes de emplear aguas de riego de composición variable que requieren de continuas mezclas para evitar deficiencias o excesos de determinados elementos, de forma completamente autónoma. El sistema se muestra técnica y económicamente viable para la gestión de recursos en parcela. Las tecnologías y herramientas analizadas se muestran técnicamente viables y económicamente prometedoras, especialmente al escalar la producción de los prototipos evaluados. Su implementación ha logrado gestionar las distintas problemáticas del riego con AMD, y ha facilitado el manejo de los recursos hídricos y fertilizantes sin riesgo de provocar efectos perjudiciales en el cultivo. Sin embargo, el estudio muestra la existencia de dos grandes desventajas: (i) el elevado precio del AMD ( 0,60 3) dificulta la implantación de sistemas para la reducción de boro a nivel de parcela, los cuales incrementan el precio del agua de riego final hasta valores inasequibles para la mayoría de los cultivos; y (ii) la limitada disponibilidad de tecnologías de fácil acceso y usabilidad para la gestión del fertirriego, sumado al considerable coste de algunas de ellas, dificultan la adopción de estas herramientas por parte de los agricultores. No obstante, los resultados obtenidos son realmente prometedores, y abren las puertas a futuras líneas de investigación centradas en la optimización de los sistemas evaluados y en la implementación de tecnologías alternativas y sistemas híbridos, de menor complejidad técnica, que superen sus inconvenientes y faciliten el manejo de recursos a nivel de parcela.","abstract_has_math":false,"creators":["Imbernón Mulero, Alberto"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":[],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":2023,"date_issued":"2023","date_published":"2023","updated_at":"2026-07-24T05:39:19Z","subjects":["Sostenibilidad agrícola","Recursos hídricos no convencionales","Agua de riego no convencional","Fertirrigación"],"languages":[],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[{"key":"dc:identifier","label":"Identifier","values":["hdl:10317/13129"],"render_values":[{"text":"hdl:10317/13129","href":null,"code":true}]}]},"links":{"outbound_url":"https://doi.org/10.31428/10317/13129","outbound_label":"DOI","outbound_source":"dc:identifier.doi"},"metadata_groups":[{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:date.issued","label":"Date","values":["2023"]},{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["info:eu-repo/semantics/doctoralThesis"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["Sostenibilidad agrícola","Recursos hídricos no convencionales","Agua de riego no convencional","Fertirrigación"]}]},{"id":"identifiers","label":"Identifiers","entries":[{"key":"dc:identifier","label":"Identifier","values":["hdl:10317/13129"]},{"key":"dc:identifier.doi","label":"DOI","values":["10.31428/10317/13129"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.other","label":"Dc Description Other","values":["[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. 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En la actualidad, los recursos no convencionales de mayor relevancia son (i) el agua reutilizada procedente de la depuración y regeneración de aguas urbanas, (ii) el agua salobre o subterránea y (iii) el agua marina desalinizada (AMD), los cuales proporcionan volúmenes complementarios a los tradicionalmente utilizados en el riego. Sin embargo, el cambiante suministro de estos recursos y sus singulares características (físico-químicas) dan lugar a un agua de riego con una variable, y en ocasiones problemática, composición. En concreto, el uso directo de AMD en el riego agrícola se puede ver limitado debido a su reducida conductividad eléctrica, su escaso contenido nutricional y a la elevada concentración de determinados elementos, como el boro, el cloro o el sodio, los cuales pueden resultar fitotóxicos para especies sensibles; este último aspecto resulta uno de los más destacables. El umbral de fitotoxicidad por boro para los cultivos sensibles se sitúa en torno a 0,5 mg/L, mientras que el AMD promedio disponible en España puede doblar dicha concentración de manera En la actualidad, y como única solución práctica, los agricultores se ven obligados a realizar mezclas de diferentes aguas para adecuar su singular composición a los requerimientos de cada cultivo, lo cual dificulta los ajustes nutricionales, y por ende la fertirrigación. La aplicación de determinados sistemas y tecnologías a nivel de parcela resulta un aspecto realmente novedoso, y la estimación y análisis económico de su implantación no están apenas estudiadas. A su vez, la optimización de técnicas y herramientas ya presentes puede suponer un punto de inflexión en el empleo sostenible del agua, pilar fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas de cualquier región con escasez de recursos hídricos. En este contexto, lograr un manejo sostenible de los recursos hídricos disponibles y hacer frente a las dificultades que presenta el uso del AMD en el riego agrícola, son el objeto principal de esta tesis doctoral. La tesis se presenta como un compendio de tres publicaciones, y se divide en dos principales líneas de investigación: (i) la implementación y evaluación de sistemas para la reducción de boro en AMD en parcela (artículos 1 y 2), y (ii) el desarrollo, análisis y aplicación de un cabezal de riego tecnificado e inteligente para el manejo óptimo de aguas de riego y fertilizantes de variable composición (artículo 3). En primer lugar, la publicación Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain (epígrafe 4.1), presenta la evaluación técnica y económica de un equipo de membranas de ósmosis inversa (OI). 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En este caso, y al contrario que las membranas de OI, la resina presenta una total selectividad por el boro y una aparente independencia de la temperatura del agua de alimentación. Además, tampoco requiere de variaciones de pH o presión para mejorar el porcentaje de retención, mostrando costes específicos inferiores al proceso de ósmosis tras el escalado del sistema 3). Éste también ha demostrado otras ventajas, como el sencillo mantenimiento del equipo o el irrisorio volumen de residuo generado en comparación con la OI. Finalmente, la tercera publicación (epígrafe 4.3 Evaluation of an autonomous Smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation wáter analiza el desarrollo e implementación de un cabezal de riego tecnificado, que logra mejorar la gestión de las distintas aguas de riego disponibles, además de disminuir el consumo y coste de fertilizantes. El sistema, conformado por los elementos necesarios para el control y suministro de agua y fertilizantes, está conectado con una aplicación web y una base de datos de usuario. Éste es capaz de elaborar un plan de fertirrigación óptimo y de controlar el volumen y tiempo de fertirriego, superando los inconvenientes de emplear aguas de riego de composición variable que requieren de continuas mezclas para evitar deficiencias o excesos de determinados elementos, de forma completamente autónoma. El sistema se muestra técnica y económicamente viable para la gestión de recursos en parcela. Las tecnologías y herramientas analizadas se muestran técnicamente viables y económicamente prometedoras, especialmente al escalar la producción de los prototipos evaluados. Su implementación ha logrado gestionar las distintas problemáticas del riego con AMD, y ha facilitado el manejo de los recursos hídricos y fertilizantes sin riesgo de provocar efectos perjudiciales en el cultivo. Sin embargo, el estudio muestra la existencia de dos grandes desventajas: (i) el elevado precio del AMD ( 0,60 3) dificulta la implantación de sistemas para la reducción de boro a nivel de parcela, los cuales incrementan el precio del agua de riego final hasta valores inasequibles para la mayoría de los cultivos; y (ii) la limitada disponibilidad de tecnologías de fácil acceso y usabilidad para la gestión del fertirriego, sumado al considerable coste de algunas de ellas, dificultan la adopción de estas herramientas por parte de los agricultores. No obstante, los resultados obtenidos son realmente prometedores, y abren las puertas a futuras líneas de investigación centradas en la optimización de los sistemas evaluados y en la implementación de tecnologías alternativas y sistemas híbridos, de menor complejidad técnica, que superen sus inconvenientes y faciliten el manejo de recursos a nivel de parcela.","[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. In arid and semi-arid regions, the scarcity and variable availability of water resources led irrigated agriculture to evaluate and apply, at an on-farm level, different techniques aimed at the efficient use and saving of water. Among them, the use of covers to reduce evaporation losses, remote control of irrigation systems, deficit irrigation strategies and even the hydroponic cultivation have been consolidated as effective methods to guarantee water savings. However, although these techniques allow a more efficient and sustainable use of resources, in no case do they allow increasing their availability. This situation has led to implement new solutions that ensure the maintenance and sustainability of irrigated agriculture, among which the use of unconventional water resources stands out. Currently, the most relevant non-conventional resources are (i) reclaimed wáter from urban usage, (ii) brackish or groundwater and (iii) desalinated seawater (DSW), which provide additional volumes of water to those traditionally used in irrigation. However, the unsteady supply of resources and their unique characteristics give rise to irrigation water with a variable and sometimes problematic chemical composition. Concretely, the use of DSW in agricultural irrigation may be limited due to its low electrical conductivity, its low nutritional content and the high concentration of certain elements, such as boron, chloride or sodium, which may produce phytotoxic effects in sensitive species; this last is the most notable aspect. The phytotoxicity threshold for sensitive crops is around 0.5 mg/L, while on a regular basis the average DSW available in Spain can double that convenient solution, farmers are compelled to blend different waters to adapt their singular composition to the requirements of the different crops, which also hinders the correct nutritional adjustment, and, therefore, the fertigation process The implementation of certain systems and technologies at an on-farm level is a truly novel aspect, and the technical and economic analysis of its implementation have barely been studied. At the same time, the optimization of techniques and tools already present entails a turning point in the sustainable use of water resources, which is a fundamental pillar in the development of agricultural activities in this region. In this context, achieving a sustainable management of available water resources and facing the difficulties presented, among others, by the use of AMD in agricultural irrigation, are the main object of this doctoral thesis The thesis is presented as a compendium of three publications, and is divided into two main research lines: (i) the implementation and evaluation of on-farm systems to reduce boron in DSW (articles 1 and 2), and (ii) the development, analysis and application of a technical irrigation head and a smart system for optimal management of irrigation water and fertilizers (article 3). Firstly, the article Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain section 4.1), presents the technical and economic evaluation of a reverse osmosis (RO) membrane system. The study analyzes the effect of the temperature, pH and pressure of the feed water on the ability of the membranes to reduce the boron concentration in DSW with levels around 1.0 mg/L. The results show that, regardless of the temperature range considered, the increase in pH up to values of 9.5 and pressure up to 9 bar, allows reducing the boron concentration below the phytotoxicity threshold of sensitive crops, but also decreasing the presence of the rest of the ions, due to the null specificity of the membranes for said element. The economic analysis shows that the scaling of the experimental prototype to systems with a production of 20 40 m3/h, reduces the operating costs to competitive values ( 0.30 /m3). The second article (section 4.2 Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain an ion exchange resins equipment. In this case, the resin exhibits a total selectivity for boron and an obvious independence of the feed water temperature. In addition, neither does it require pH or pressure variations to improve the boron retention percentage, and it shows lower specific costs than the RO system ( 0.23 /m3). This system has also shown other advantages, such as the easy maintenance of the equipment or the negligible volume of brine produced compared to RO. Finally, the third article (section 4.3), \"Evaluation of an autonomous smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation water\", analyzes the development and implementation of a technical irrigation head, which manages to improve the use of different irrigation waters available, in addition to reducing the supply of fertilizers. The system is connected to a web application and a user database, having the elements necessary for the control and supply of water and fertilizers. It is capable of developing an optimal fertigation plan and controlling the volume and time of fertigation, overcoming the drawbacks of using irrigation water with variable composition that necessitate continuous blending to prevent deficiencies or excesses of certain elements, and it is shown to be technically and economically feasible for on-farm resource management. Generally speaking, the technologies and tools analyzed are technically feasible and economically promising, especially when refereeing to larger scales than the prototypes. Their implementation was able to address several irrigation concerns that arose with DSW, and allowed for the management of water resources and fertilizer without the risk of causing harmful effects on the crop. However, the study shows the presence of two major drawbacks: (i) the high price of AMD ( 0.60 /m3) which makes it difficult to implement boron reduction systems at on-farm scale and increase the price of final irrigation water up to unaffordable values for most crops; in other words, it causes a considerable loss of profitability; and (ii) the limited availability of easily accessible and user-friendly technologies for fertigation management, and the substantial price of some of them, hinder the farmers to adopt these tools. Nevertheless, the results are highly promising, and promotes the optimization of previously evaluated systems as well as the implementation of alternative and innovative technologies to face their main drawbacks and improve resource management at on-farm level."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Evaluación y validación de tecnologías y herramientas para la gestión sostenible del riego con agua marina desalinizada en parcela"]}]}],"canonical_facts":{"dc:date.issued":["2023"],"dc:description.other":["[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la agricultura de las regiones áridas y semiáridas, la escasez de recursos hídricos y su variable disponibilidad han conducido al desarrollo de técnicas destinadas al uso eficiente y ahorro de agua. Entre ellas, las estrategias de riego por goteo y deficitario, los sistemas de cultivo hidropónico, el uso de coberturas de balsas para reducir las pérdidas por evaporación o el telecontrol de los sistemas de riego, se han consolidado como métodos eficaces para garantizar el ahorro de agua. Sin embargo, si bien estas técnicas permiten un uso más eficiente de recursos, en ningún caso permiten incrementar su disponibilidad. Para ello resulta necesario implementar nuevas soluciones que aseguren el mantenimiento y la sostenibilidad de la agricultura de regadío incrementando el volumen de agua disponible; entre ellas destaca el uso de recursos hídricos no convencionales. En la actualidad, los recursos no convencionales de mayor relevancia son (i) el agua reutilizada procedente de la depuración y regeneración de aguas urbanas, (ii) el agua salobre o subterránea y (iii) el agua marina desalinizada (AMD), los cuales proporcionan volúmenes complementarios a los tradicionalmente utilizados en el riego. Sin embargo, el cambiante suministro de estos recursos y sus singulares características (físico-químicas) dan lugar a un agua de riego con una variable, y en ocasiones problemática, composición. En concreto, el uso directo de AMD en el riego agrícola se puede ver limitado debido a su reducida conductividad eléctrica, su escaso contenido nutricional y a la elevada concentración de determinados elementos, como el boro, el cloro o el sodio, los cuales pueden resultar fitotóxicos para especies sensibles; este último aspecto resulta uno de los más destacables. El umbral de fitotoxicidad por boro para los cultivos sensibles se sitúa en torno a 0,5 mg/L, mientras que el AMD promedio disponible en España puede doblar dicha concentración de manera En la actualidad, y como única solución práctica, los agricultores se ven obligados a realizar mezclas de diferentes aguas para adecuar su singular composición a los requerimientos de cada cultivo, lo cual dificulta los ajustes nutricionales, y por ende la fertirrigación. La aplicación de determinados sistemas y tecnologías a nivel de parcela resulta un aspecto realmente novedoso, y la estimación y análisis económico de su implantación no están apenas estudiadas. A su vez, la optimización de técnicas y herramientas ya presentes puede suponer un punto de inflexión en el empleo sostenible del agua, pilar fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas de cualquier región con escasez de recursos hídricos. En este contexto, lograr un manejo sostenible de los recursos hídricos disponibles y hacer frente a las dificultades que presenta el uso del AMD en el riego agrícola, son el objeto principal de esta tesis doctoral. La tesis se presenta como un compendio de tres publicaciones, y se divide en dos principales líneas de investigación: (i) la implementación y evaluación de sistemas para la reducción de boro en AMD en parcela (artículos 1 y 2), y (ii) el desarrollo, análisis y aplicación de un cabezal de riego tecnificado e inteligente para el manejo óptimo de aguas de riego y fertilizantes de variable composición (artículo 3). En primer lugar, la publicación Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain (epígrafe 4.1), presenta la evaluación técnica y económica de un equipo de membranas de ósmosis inversa (OI). El estudio analiza el efecto de la temperatura, pH y presión del agua de alimentación en la capacidad de las membranas para reducir la concentración de boro en un AMD con niveles en torno a 1,0 mg/L. Los resultados muestran que, con independencia del rango de temperaturas considerado, el incremento de pH hasta valores de 9,5 y de presión hasta 9 bar permite reducir la concentración de boro por debajo del umbral de fitotoxicidad de los cultivos sensibles, pero disminuyendo también la presencia del resto de iones, debido a su baja especificidad por dicho elemento. El análisis económico evidencia que el escalado del prototipo experimental hasta sistemas con una producción de 20 40 m3/h, reduce los costes de operación hasta valores que pueden resultar competitivos ( 3). La segunda publicación (epígrafe 4.2 Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain viabilidad de un equipo de resinas de intercambio iónico para reducir boro en AMD. En este caso, y al contrario que las membranas de OI, la resina presenta una total selectividad por el boro y una aparente independencia de la temperatura del agua de alimentación. Además, tampoco requiere de variaciones de pH o presión para mejorar el porcentaje de retención, mostrando costes específicos inferiores al proceso de ósmosis tras el escalado del sistema 3). Éste también ha demostrado otras ventajas, como el sencillo mantenimiento del equipo o el irrisorio volumen de residuo generado en comparación con la OI. Finalmente, la tercera publicación (epígrafe 4.3 Evaluation of an autonomous Smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation wáter analiza el desarrollo e implementación de un cabezal de riego tecnificado, que logra mejorar la gestión de las distintas aguas de riego disponibles, además de disminuir el consumo y coste de fertilizantes. El sistema, conformado por los elementos necesarios para el control y suministro de agua y fertilizantes, está conectado con una aplicación web y una base de datos de usuario. Éste es capaz de elaborar un plan de fertirrigación óptimo y de controlar el volumen y tiempo de fertirriego, superando los inconvenientes de emplear aguas de riego de composición variable que requieren de continuas mezclas para evitar deficiencias o excesos de determinados elementos, de forma completamente autónoma. El sistema se muestra técnica y económicamente viable para la gestión de recursos en parcela. Las tecnologías y herramientas analizadas se muestran técnicamente viables y económicamente prometedoras, especialmente al escalar la producción de los prototipos evaluados. Su implementación ha logrado gestionar las distintas problemáticas del riego con AMD, y ha facilitado el manejo de los recursos hídricos y fertilizantes sin riesgo de provocar efectos perjudiciales en el cultivo. Sin embargo, el estudio muestra la existencia de dos grandes desventajas: (i) el elevado precio del AMD ( 0,60 3) dificulta la implantación de sistemas para la reducción de boro a nivel de parcela, los cuales incrementan el precio del agua de riego final hasta valores inasequibles para la mayoría de los cultivos; y (ii) la limitada disponibilidad de tecnologías de fácil acceso y usabilidad para la gestión del fertirriego, sumado al considerable coste de algunas de ellas, dificultan la adopción de estas herramientas por parte de los agricultores. No obstante, los resultados obtenidos son realmente prometedores, y abren las puertas a futuras líneas de investigación centradas en la optimización de los sistemas evaluados y en la implementación de tecnologías alternativas y sistemas híbridos, de menor complejidad técnica, que superen sus inconvenientes y faciliten el manejo de recursos a nivel de parcela.","[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. In arid and semi-arid regions, the scarcity and variable availability of water resources led irrigated agriculture to evaluate and apply, at an on-farm level, different techniques aimed at the efficient use and saving of water. Among them, the use of covers to reduce evaporation losses, remote control of irrigation systems, deficit irrigation strategies and even the hydroponic cultivation have been consolidated as effective methods to guarantee water savings. However, although these techniques allow a more efficient and sustainable use of resources, in no case do they allow increasing their availability. This situation has led to implement new solutions that ensure the maintenance and sustainability of irrigated agriculture, among which the use of unconventional water resources stands out. Currently, the most relevant non-conventional resources are (i) reclaimed wáter from urban usage, (ii) brackish or groundwater and (iii) desalinated seawater (DSW), which provide additional volumes of water to those traditionally used in irrigation. However, the unsteady supply of resources and their unique characteristics give rise to irrigation water with a variable and sometimes problematic chemical composition. Concretely, the use of DSW in agricultural irrigation may be limited due to its low electrical conductivity, its low nutritional content and the high concentration of certain elements, such as boron, chloride or sodium, which may produce phytotoxic effects in sensitive species; this last is the most notable aspect. The phytotoxicity threshold for sensitive crops is around 0.5 mg/L, while on a regular basis the average DSW available in Spain can double that convenient solution, farmers are compelled to blend different waters to adapt their singular composition to the requirements of the different crops, which also hinders the correct nutritional adjustment, and, therefore, the fertigation process The implementation of certain systems and technologies at an on-farm level is a truly novel aspect, and the technical and economic analysis of its implementation have barely been studied. At the same time, the optimization of techniques and tools already present entails a turning point in the sustainable use of water resources, which is a fundamental pillar in the development of agricultural activities in this region. In this context, achieving a sustainable management of available water resources and facing the difficulties presented, among others, by the use of AMD in agricultural irrigation, are the main object of this doctoral thesis The thesis is presented as a compendium of three publications, and is divided into two main research lines: (i) the implementation and evaluation of on-farm systems to reduce boron in DSW (articles 1 and 2), and (ii) the development, analysis and application of a technical irrigation head and a smart system for optimal management of irrigation water and fertilizers (article 3). Firstly, the article Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain section 4.1), presents the technical and economic evaluation of a reverse osmosis (RO) membrane system. The study analyzes the effect of the temperature, pH and pressure of the feed water on the ability of the membranes to reduce the boron concentration in DSW with levels around 1.0 mg/L. The results show that, regardless of the temperature range considered, the increase in pH up to values of 9.5 and pressure up to 9 bar, allows reducing the boron concentration below the phytotoxicity threshold of sensitive crops, but also decreasing the presence of the rest of the ions, due to the null specificity of the membranes for said element. The economic analysis shows that the scaling of the experimental prototype to systems with a production of 20 40 m3/h, reduces the operating costs to competitive values ( 0.30 /m3). The second article (section 4.2 Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain an ion exchange resins equipment. In this case, the resin exhibits a total selectivity for boron and an obvious independence of the feed water temperature. In addition, neither does it require pH or pressure variations to improve the boron retention percentage, and it shows lower specific costs than the RO system ( 0.23 /m3). This system has also shown other advantages, such as the easy maintenance of the equipment or the negligible volume of brine produced compared to RO. Finally, the third article (section 4.3), \"Evaluation of an autonomous smart system for optimal management of fertigation with variable sources of irrigation water\", analyzes the development and implementation of a technical irrigation head, which manages to improve the use of different irrigation waters available, in addition to reducing the supply of fertilizers. The system is connected to a web application and a user database, having the elements necessary for the control and supply of water and fertilizers. It is capable of developing an optimal fertigation plan and controlling the volume and time of fertigation, overcoming the drawbacks of using irrigation water with variable composition that necessitate continuous blending to prevent deficiencies or excesses of certain elements, and it is shown to be technically and economically feasible for on-farm resource management. Generally speaking, the technologies and tools analyzed are technically feasible and economically promising, especially when refereeing to larger scales than the prototypes. Their implementation was able to address several irrigation concerns that arose with DSW, and allowed for the management of water resources and fertilizer without the risk of causing harmful effects on the crop. However, the study shows the presence of two major drawbacks: (i) the high price of AMD ( 0.60 /m3) which makes it difficult to implement boron reduction systems at on-farm scale and increase the price of final irrigation water up to unaffordable values for most crops; in other words, it causes a considerable loss of profitability; and (ii) the limited availability of easily accessible and user-friendly technologies for fertigation management, and the substantial price of some of them, hinder the farmers to adopt these tools. Nevertheless, the results are highly promising, and promotes the optimization of previously evaluated systems as well as the implementation of alternative and innovative technologies to face their main drawbacks and improve resource management at on-farm level."],"dc:identifier":["hdl:10317/13129"],"dc:identifier.doi":["10.31428/10317/13129"],"dc:subject":["Sostenibilidad agrícola","Recursos hídricos no convencionales","Agua de riego no convencional","Fertirrigación"],"dc:title":["Evaluación y validación de tecnologías y herramientas para la gestión sostenible del riego con agua marina desalinizada en parcela"],"dc:type":["info:eu-repo/semantics/doctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T05:39:19Z"}