Problemele legate de deficitul de apă rezolvate cu ajutorul irigațiilor agricole avansate

În ultimul deceniu, sistemele de control al irigațiilor agricole au devenit din ce în ce mai sofisticate. În prezent, mulți cultivatori au înlocuit temporizatoarele tradiționale de irigare și regulatoarele hidraulice cu componente avansate de control și conectivitate adaptate de la cele pentru aplicații industriale - inclusiv sisteme care utilizează controlere logice programabile (PLC), PC-uri industriale și componente de automatizare din ce în ce mai economice cu capacitatea de a se conecta și de a valorifica protocoale de comunicare industriale comune. Aceste controlere și componente pot accepta intrări de la surse care includ senzori de umiditate a solului, stații meteorologice și senzori de îngheț pentru a determina reacții adaptive de agricultură digitală în timp real.

Mai mult, aceste sisteme sofisticate de control al irigării devin acum mai accesibile, chiar dacă utilizarea datelor pentru optimizarea irigării a devenit din ce în ce mai inteligentă.

Figura 1: Compania de echipamente de întreținere a terenurilor și de cultivare a terenurilor agricole Toro vinde sistemele de irigare pentru agricultură Tempus Automation care utilizează conectivitatea 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. Stația de bază le permite cultivatorilor să controleze valvele și dispozitivele de monitorizare pe o rază de până la 1,6 km. Stațiile de bază pot fi adăugate cu ușurință în scopul extinderii razei de acțiune și toate pot fi alimentate cu energie solară sau prin cablu. (Sursa imaginii: The Toro Co.)

Conservarea apei este din ce în ce mai imperativă pe măsură ce clima se încălzește, regiunile devin mai aride, populația crește, iar acviferele se epuizează. De fapt, apa ar putea deveni în curând principala resursă critică ce va avea o importanță geopolitică mai mare decât petrolul în secolul XXI - având chiar potențialul de a declanșa războaiele viitorului. Problemele legate de apă sunt deja de lungă durată în Orientul Mijlociu. Această regiune a devenit din ce în ce mai aridă încă de la nașterea civilizației, iar în prezent susține 5% din populația mondială cu doar 1% din cantitatea de apă dulce din lume.

Figura 2: Irigarea serelor și irigarea culturilor în rânduri în aer liber, bazată pe sisteme de microaspersie și alte metode de picurare, beneficiază de controale avansate ale irigării. (Sursa imaginii: Getty Images)

Din punct de vedere comercial, deficitul de apă se reflectă în creșterea prețurilor alimentelor și produselor agricole, prețurile la apă crescând mai rapid decât cele la energie în ultimul deceniu. Să clarificăm: reducerea la minimum a consumului de apă, alături de maximizarea randamentului culturilor au devenit esențiale atât pentru operațiunile comerciale la scară largă, cât și pentru operațiunile agricole de început.

Irigare controlabilă și mecanisme de creștere

Cerințele pentru controlerele de irigare depind de tipul de aplicație și de sistem - fie că se bazează pe sisteme de aspersoare, irigare prin picurare sau circuite de irigare hidroponice.

Figura 3: Senzorii de dioxid de carbon din seria T3000 au carcase IP67 pentru a rezista la umezeală, murdărie și expunerea la îngrășăminte în operațiunile de agricultură verticală în interior. Feedback-ul lor poate fi folosit pentru a informa rutina automată de irigare și fertirigare hidroponică. (Sursa imaginii: Amphenol Telaire)

Irigarea culturilor cultivate în sere poate fi controlată foarte strict; fără variabilitatea mediului exterior, lumina, apa, fertilizarea și compoziția optimă a solului pot fi menținute în mod constant în limitele de toleranță. Irigarea se bazează întotdeauna pe un rezervor ocupat de pompă și pe un circuit de irigare pe bază de tăvi, aproape fără pierderi de apă prin evaporare și fără pierderi prin scurgere. Există numeroase opțiuni de software pentru anumite culturi. Aceste programe încorporează cunoștințele din industrie cu privire la ciclurile de creștere ale speciilor de plante și la parametrii de creștere preferați.

Figura 4: O carcasă IP67 face ca luminile WIL să fie deosebit de potrivite pentru aplicațiile de agricultură digitală de interior. (Sursa imaginii: Weidmüller)

Pentru agricultura tradițională în aer liber, aspersoarele sunt cele mai utilizate echipamente de irigare, cu modele care variază de la micile aspersoare de gazon (asemănătoare celor folosite de proprietarii de case pe gazon) la aspersoarele industriale de înaltă presiune acționate de pompe cu motor electric sau diesel. Acesta din urmă include sisteme masive cu deplasare liniară capabile să irige câmpuri deschise ce se întind pe mai multe hectare, cu rețelele lor mari de aspersoare.

Un alt design comun în sistemele de irigare automatizate pentru operațiuni de amploare este reprezentat de aspersoarele de impact. Variante simplificate ale acestora sunt, de asemenea, vândute ca produse de irigare a gazonului pentru consumatori. Pe scurt, aspersoarele de impact constau dintr-un ansamblu de cap care trimite un jet de apă pe lângă un braț mecanic. Acest jet de apă este lovit în mod repetat de braț și împrăștiată peste cultura cultivată. Presiunea rezultată și mișcarea brațului mecanic împinge capul în jurul unui pivot, care, la rândul său, face ca aspersorul să parcurgă un cerc sau un arc parțial.

O ultimă opțiune pentru udarea automată a culturilor agricole este irigarea prin picurare. Fie că se bazează pe așa-numitele rețele de țevi cu scurgere sau pe rețele de microaspersoare, irigarea prin picurare reduce consumul de apă (în special al celei pierdute prin evaporare) livrând apa mai direct către zonele radiculare ale plantelor.

Mai multe despre irigarea agricolă cu pivot central și cu mișcare liniară

Irigarea cu pivot central este o adaptare avansată a irigării culturilor prin aspersiune. Este una dintre cele mai eficiente metode de irigare a câmpurilor mari, sistemele tipice din industrie putând acoperi o rază de 400 de metri pe o suprafață de până la 50 de hectare (125 de acri) sau mai mult. Sistemele de irigare cu pivot central irigă un arc de cerc sau un arc parțial prin rotirea unei țevi de irigație (în care se află mai multe capete de aspersoare) în jurul unui pivot fix. Țeava este purtată pe mai multe turnuri deplasate pe sol cu ajutorul unor roți motorizate.

Figura 5: Comenzile de temporizare sunt utilizate cu sistemele de irigare cu pivot central pentru a comanda programele de bază de udare. În plus, monitoarele de curent minimal supraveghează adesea o parte a sistemelor trifazate de pe turnurile sistemelor de irigare cu pivot central. Astfel de monitoare de curent minimal detectează turnurile blocate sau înțepenite pentru a preveni udarea excesivă. (Sursa imaginii: Littelfuse)

Între turnuri, țeava de apă este susținută de o grindă care folosește cabluri ca elemente de întindere - foarte asemănătoare cu suporturile unui pod suspendat. Dezvoltate în anii 1940, sistemele originale de irigare cu pivot central foloseau fluxul de apă pentru a acționa roțile. În prezent, este mult mai frecvent ca astfel de echipamente să se bazeze pe motoare electrice pentru a-și roti roțile în vederea propulsiei. Viteza acestor roți poate fi destul de lentă, deoarece sistemul de control poate avea nevoie de câteva zile pentru a comanda roților să efectueze o revoluție completă.

Figura 6: Software-ul AgSense (accesibil sub formă de aplicație prin intermediul dispozitivelor mobile și al laptopurilor) valorifică tehnologiile GPS și de feedback pentru a ajuta fermierii să urmărească pompele de irigare și componentele auxiliare, starea debitului și a presiunii, nivelul de umiditate a solului, condițiile meteorologice, nivelul rezervoarelor (acolo unde este cazul) și dovezile de furt. Fiind o opțiune de top pentru sistemele automate de irigare cu pivot (dar compatibilă și cu mașinile liniare), oferă informații și alarme în timp real și permite chiar gestionarea unei flote mixte de pivoți hidraulici și electrici. În esență, software-ul permite funcționalitățile panourilor digitale, menținând în același timp compatibilitatea cu panourile mecanice de orice marcă sau anvergură. (Sursa imaginii: Valmont Industries Inc.)

Sistemele de irigare pivotante sunt mașini mari și surprinzător de complexe, care prezintă propriile provocări în ceea ce privește controlul districtului. Turnurile nu se mișcă la unison, ci se opresc și pornesc individual pentru a menține o aliniere aproximativă a țevii. Flexibilitatea considerabilă a țevii, împreună cu cea a grinzilor care o susțin, se adaptează mișcărilor neregulate ale turnurilor și ondulațiilor naturale ale solului.

În cazul sistemelor de irigare cu pivot, secțiunile turnului sunt controlate individual. În mod tradițional, acest lucru se realizează cu ajutorul unor mecanisme simple și al unor întrerupătoare de sfârșit de cursă. Fiecare secțiune poate detecta cu ușurință unghiul său în raport cu următoarea secțiune prin monitorizarea poziției unei pârghii atașate la următoarea secțiune. Întrerupătoarele de sfârșit de cursă simple pot porni, opri și inversa roțile, în funcție de poziția unghiulară relativă a următoarei secțiuni a turnului. O astfel de abordare este adecvată pentru o comandă hidraulică simplă cu roți acționate hidraulic.

Un pistol de stropit la capătul celui mai exterior turn cu pivot central poate extinde suprafața irigată dincolo de structura fizică. În cazul în care aceasta funcționează continuu, zona va fi în continuare circulară. Cu toate acestea, prin controlul tunului, este posibilă irigarea unei regiuni aproximativ pătrate cu ajutorul unui sistem de irigare cu pivot central.

(Sursa video: UNL Biological Systems Engineering)

Sistemele de irigare cu mișcare liniară, care utilizează aspersoare, sunt similare sistemelor cu pivot central. Cu toate acestea, secțiunile turnului nu sunt acționate într-un arc în jurul unui pivot fix. În schimb, acestea se deplasează înainte și înapoi în linie dreaptă. Acest lucru înseamnă că sistemele de irigare cu mișcare liniară acoperă o suprafață dreptunghiulară, mai degrabă decât una circulară. O astfel de zonă de acoperire poate fi mai bine adaptată la sistemele existente pe teren și poate oferi o acoperire mai completă a terenurilor. Cu toate acestea, controlul turnurilor acționate și controlul apei de alimentare este mai dificil.

Figura 7: Acesta este un proiect de irigare cu mișcare liniară. Sistemele automatizate care utilizează acest echipament mecanic răspund provocărilor dificile legate de irigarea în aer liber. (Sursa imaginii: Getty Images)

În unele modele, apa este furnizată printr-un canal deschis de-a lungul unei margini a suprafeței irigate sau (în cazul unor aranjamente alternative) prin intermediul unui furtun flexibil. Atenționările sunt că turnurile acestor sisteme de irigare cu mișcare liniară trebuie să aibă viteze coordonate pentru a menține țeava relativ dreaptă - iar turnurile trebuie să se orienteze împreună, astfel încât sistemul să se deplaseze continuu înainte și înapoi pe câmp fără a devia de la traseu. Pentru a îndeplini aceste cerințe, unele turnuri sunt programate să urmeze cabluri îngropate.

Controlere de irigare agricole

Cele mai simple controlere de irigare sunt doar temporizatoare care permit curgerea liberă a apei la ore prestabilite. Astfel de temporizatoare se găsesc, de asemenea, în aspersoarele de gazon de uz casnic.

Puțin mai sofisticate sunt controlerele de irigare industriale. Acestea au luat în mod tradițional forma unor sisteme de control hidraulic și sunt adesea asociate cu irigatoarele cu pivot central.

În prezent, multe dintre cele mai avansate sisteme de control al irigațiilor industriale utilizează PLC-uri standard. Pe lângă controlul mișcării irigatoarelor mari, cum ar fi cele bazate pe echipamente de irigare cu mișcare liniară, aceste sisteme electronice bazate pe PLC pot fi configurate pentru a accepta intrări de la senzori de umiditate a solului, senzori de debit, stații meteo și senzori de îngheț. Unele astfel de sisteme sunt acum ușor accesibile pentru operațiunile agricole foarte mici (în industria pomicolă, precum și în industria agriculturii inteligente de interior), care utilizează controlere precum Arduino pentru a automatiza udarea plantelor și a serelor.

Figura 8: NETBEAT NetMCU este un exemplu de controler de irigare integrat de nivel comercial și, de fapt, acest produs robust execută o serie de sarcini de fertilizare, fertirigare, modelare a culturilor și prognoză pentru o soluție completă de agricultură digitală. (Sursa imaginii: Netafim)

Controlerele de irigare automate pot măsura debitul pentru a asigura livrarea unei cantități măsurate de apă, mai degrabă decât o cantitate arbitrară de apă livrată într-un timp prestabilit. Prin furnizarea unei cantități cunoscute de apă pentru o anumită suprafață de sol, se pot obține condiții ideale de creștere fără a se irosi apa. Controlul debitului permite, de asemenea, detectarea blocajelor și a scurgerilor, avertizând operatorii cu privire la probleme înainte de a se produce daune semnificative asupra culturilor sau pierderi de apă. Utilizând protocoale IoT, controlerele moderne pot chiar trimite alerte pe telefonul mobil al operatorului atunci când apar astfel de evenimente.

Figura 9: Componentele de control automatizat și I/O RevPi sunt construite în jurul variantei Compute Module a minicalculatorului cu o singură placă Raspberry Pi SoM/CPU/GPU. Cele mai recente variante RevPi acceptă semnale analogice utile pentru anumite abordări de control al irigării culturilor. (Sursa imaginii: KUNBUS)

O altă opțiune de ultimă oră pentru unii fermieri este reprezentată de controlerele de evapotranspirație sau ET. Acestea estimează necesarul de apă pe baza principiilor echilibrului sol-apă.

Echilibrul hidric este studiat în hidrologia agricolă, dar, la modul cel mai fundamental, intrările de apă trebuie să fie egale cu ieșirile plus modificarea stocării. Ieșirile sunt alcătuite din debitul cursurilor de apă (scurgere) și evapotranspirație - deplasarea apei în atmosferă prin evaporare și transpirație prin vegetație.

Controlerele ET necesită date în timp real privind fluxurile de intrare (debitul de irigare și precipitațiile), precum și parametrii de mediu care afectează evapotranspirația, cum ar fi temperatura, umiditatea și iradierea solară. Printre parametrii-cheie care necesită un control riguros prin intermediul unui controler ET (adesea un controler de automatizare adaptat) se numără coeficienții de cultură și capacitățile de retenție a apei din sol. Coeficientul culturilor agricole determină rata de transpirație în funcție de condițiile meteorologice și de disponibilitatea apei. Controlerele ET pot reduce consumul de apă cu până la 63% - o economie uimitor de mare, care nu poate fi egalată de multe alte abordări.

Concluzie

Soluțiile sofisticate de irigare abundă pentru marii fermieri industriali din ziua de azi. De fapt, tehnologiile de automatizare au făcut, de asemenea, ca metodele avansate de irigare să fie suficient de accesibile pentru micii fermieri, precum și pentru producătorii de alimente specializați în legume și culturi delicate cu marje de profit mai mici.