Problem med vattenbrist löses med avancerad bevattning inom jordbruket

Under det senaste decenniet har bevattningsstyrning inom jordbruket blivit alltmer sofistikerat. Många odlare har ersatt traditionella tidur och hydrauliska regulatorer för bevattning med avancerade styr- och anslutningsenheter som anpassats för industriella tillämpningar - inklusive system som använder programmerbara logikstyrenheter (PLC), industridatorer och allt mer ekonomiska automationskomponenter som kan anslutas till och utnyttja vanliga industriella kommunikationsprotokoll. Styrenheterna och komponenterna kan ta emot data från källor som t.ex. markfuktighetsgivare, väderstationer och frostgivare, för att snabbt anpassa det digitala jordbruket baserat på svar i realtid.

De sofistikerade styrsystemen för bevattning blir dessutom mer prisvärda ... samtidigt som användningen av data för att optimera bevattningen har blivit alltmer intelligent.

Figur 1: Markskötsel- och jordbruksföretaget Toro säljer bevattningssystem från Tempus Automation, som nyttjar 4G-/WiFi-/LoRa-/Bluetooth-anslutning. Basstationen gör det möjligt för odlare att styra ventiler och övervaka enheter inom ett område på upp till 1,6 km. Basstationer kan enkelt läggas till för att utöka räckvidden; alla kan vara solcellsdrivna eller fast anslutna. (Bildkälla: The Toro Co.)

Det blir allt viktigare att spara vatten eftersom klimatet blir varmare, regionerna blir torrare, befolkningen ökar och grundvattentäkterna sinar. Faktum är att vatten snart kan bli den mest kritiska resursen som kan komma att få större geopolitisk betydelse än olja under 2000-talet - och kanske till och med utlösa framtidens krig. Vattenrelaterade problem har funnits i många år i Mellanöstern. Denna region har gradvis blivit torrare sedan civilisationens födelse och försörjer nu 5 % av jordens befolkning med endast 1 % av världens sötvatten.

Figur 2: Bevattning av växthus och radodlingar utomhus som bygger på mikrospraysystem och andra droppbevattningsmetoder som drar nytta av avancerade bevattningsstyrningar. (Bildkälla: Getty Images)

Ur ett affärsperspektiv återspeglas vattenbristen i högre priser på livsmedel och odlade produkter när vattenpriserna stigit snabbare än energipriserna under de senaste årtiondet För att vara tydlig - det har blivit viktigt för både storskaliga kommersiella verksamheter och nystartade jordbruksföretag att minimera vattenförbrukningen och samtidigt maximera skördarna.

Reglerbar bevattning och odlingsmekanismer

Kraven på bevattningsstyrningarn beror på tillämpning och systemtyp - oavsett om de är baserade på sprinklers, droppbevattning eller hydroponiska bevattningskretsar.

Figur 3: Koldioxidgivarna i T3000-serien har IP67-kapslingar som tål fukt, smuts och exponering för gödningsmedel i vertikala inomhusodlingar. Deras återkoppling kan ge information till automatiserade rutiner för hydroponisk bevattning och gödningsrutiner. (Bildkälla: Amphenol Telaire)

Bevattningen av grödor som odlas i växthus kan kontrolleras mycket noggrant; utan den varierande utomhusmiljön kan optimalt ljus, vatten, gödsling och jordsammansättning konsekvent hållas inom toleranserna. Bevattning är alltid baserat på en reservoar utrustad med pump och en vattenkrets som bygger på skikt ... där nästan inget vatten går förlorat genom avdunstning eller avrinning. Det finns många programalternativ för specifika grödor; dessa program innehåller branschkunskap om växtarters tillväxtcykler och önskade odlingsparametrar.

Figur 4: En IP67-kapsling gör WIL-belysningarna särskilt lämpliga för tillämpningar inom digitalt jordbruk inomhus. (Bildkälla: Weidmüller)

Vid traditionell utomhusodling är sprinkler den mest använda bevattningsutrustningen, med allt från små gräsmattesprinkler (liknande dem som husägare använder på gräsmattor) till högtryckssprinkler för industriellt bruk som drivs av elmotorer eller dieselpumpar. De sistnämnda omfattar massiva system med linjär rörelse som kan bevattna öppna fält som sträcker sig över flera hektar.

En annan konstruktion som är vanlig i automatiserade bevattningssystem för storskaliga verksamheter är impulssprinkler. Förenklade varianter av dessa säljs även som konsumentprodukter för bevattning av gräsmattor. Impulssprinklern består i korthet av ett huvud som skickar en vattenstråle förbi en mekanisk arm. Vattnet, som upprepade gånger träffas av armen, sprids över den växande grödan. Det tryck som uppstår och den mekaniska armens rörelse driver sprinklerhuvudet runt en pivot, vilket i sin tur får sprinklern att svepa runti en cirkel eller i en partiell båge.

Ett sista alternativ för automatisk bevattning av jordbruksgrödor är droppbevattning. Vare sig det är baserat på så kallade läckande rör eller mikrosprayhuvuden, minskar droppbevattning vattenförbrukningen (särskilt den som går förlorad genom avdunstning) genom att vattnet levereras mer direkt till växternas rotzoner.

Mer om bevattning av jordbruk med pivot och linjära rörelser

Pivotbevattning är en avancerad anpassning av sprinklerbaserad bevattning av grödor. Det är ett av de mest effektiva sätten att bevattna stora öppna fält, med industritypiska system som kan täcka en radie på 400 m inom ett område på upp till 50 hektar. Pivotbevattningssystem vattnar en i cirkulär eller partiell båge genom att vrida ett bevattningsrör (med många sprinklerhuvuden) runt en fast pivot. Röret bärs upp av flera torn som flyttas längs marken med hjälp av drivhjul.

Figur 5: Tidsstyrning som används med pivotbevattningssystem för att styra grundläggande vattenscheman. Dessutom, övervakar underströmsmonitorer ofta en del av trefassystemen för pivotbevattningssystemens torn. Sådan övervakning upptäcker torn som kört fast eller hindras, för att förhindra övervattning. (Bildkälla: Littelfuse)

En fackverkskonstruktion med vajerkablar bär upp vattenledningen mellan tornen - mycket likt det som återfinns i en hängbro. De ursprungliga pivotbevattningssystemen som utvecklades på 1940-talet använde vattenflödet för att driva hjulen. I dag är det mycket vanligare att sådan utrustning förlitar sig på elmotorer för att driva hjulen. Hastigheten på hjulen kan vara ganska långsam eftersom det kan ta några dagar för styrsystemen att styra hjulen genom ett helt varv.

Figur 6: Programmet AgSense (finns som en app för mobila enheter och bärbara datorer) utnyttjar GPS- och återkopplingsteknik för att hjälpa jordbrukare att följa bevattningspumpar och hjälpkomponenter, flödes- och tryckstatus, markfuktighetsnivåer, väderförhållanden, tanknivåer (i förekommande fall) och bevis på stöld. Valmöjligheterna för automatiserade pivotbevattningssystem (som även är kompatibla med linjära maskiner) är att de ger information och larm i realtid och även gör det möjligt att hantera en blandning av hydrauliska och elektriska pivoter. Programmet möjliggör i huvudsak funktionalitet för digitala paneler samtidigt som den är kompatibel med mekaniska paneler av alla märken och årgångar. (Bildkälla: Valmont Industries Inc.)

Pivotbevattningssystem är stora och förvånansvärt komplicerade maskiner med sina egna utmaningar när det gäller områdesstyrning. Tornen rör sig inte tillsammans utan stannar och startar var för sig för att hålla vattenledningarna i ungefärlig linje med varandra. Den stora flexibiliteten hos vattenledningen och de fackverk som bär upp den gör att tornens ojämna rörelser och naturliga markförhållanden kan anpassas till varandra.

Tornsektionerna i pivotbevattningssystem styrs individuellt. Traditionellt sett uppnås detta med enkla mekanismer och gränslägesbrytare. Varje sektion kan enkelt känna av sin vinkel i förhållande till nästa sektion genom att övervaka läget för en arm som är fäst i nästa sektion. Enkla gränslägesbrytare kan sedan starta, stoppa och backa hjulen enligt den relativa vinkelpositionen för nästa tornsektion. Ett sådant tillvägagångssätt är lämpligt för enkel hydraulisk styrning med hydrauliskt drivna hjul.

Med ett spraymunstycke i slutet av det yttersta pivottornet kan man utvidga det bevattnade området utanför den fysiska strukturen. Om detta sker kontinuerligt kommer området fortfarande att vara cirkulärt. Genom att styra munstycket är det emellertid möjligt att bevattna ett nästan kvadratiskt område med hjälp av ett pivotbevattningssystem.

(Videokälla: UNL Biological Systems Engineering)

Genom att använda sprinklers liknar bevattningssystem med linjär rörelse ett pivotbevattningssystem Tornsektionerna drivs dock inte i en båge runt en fast pivot. Istället rör de sig fram och tillbaka i en rak linje. Det innebär att bevattningssystem med linjär rörelse täcker ett rektangulärt område snarare än ett cirkulärt. Ett sådant täckningsområde kan vara bättre anpassat till befintliga system och ge en mer fullständig täckning av marken. Men det gör det även svårare att kontrollera drivningen av tornen och kontrollen av vattentillförseln.

Figur 7: Detta är en konstruktion för bevattning med linjär rörelse. Automatiserade system som använder denna mekaniska utrustning löser svåra problem med bevattning utomhus. (Bildkälla: Getty Images)

I vissa konstruktioner levereras vattnet via en öppen kanal längs en kant av det bevattnade området eller (i alternativa anordningar) via en flexibel slang. Ett bekymmer är att tornen i bevattningssystem med linjär rörelse måste uppvisa koordinerade hastigheter för att hålla vattenledningen någorlunda rak - och tornen måste styras samtidigt så att systemet hela tiden rör sig framåt och bakåt över fältet utan att ändra kurs. För att uppfylla dessa krav är vissa torn programmerade för att följa nedgrävda kablar.

Styrenheter för bevattning inom jordbruk

De enklaste styrenheterna för bevattning är tidur som tillåter fritt flöde av vatten vid förinställda tidpunkter. Sådana tidur finns även i konsumentsprinklers för gräsmattor..

Industriella bevattningsstyrningar är lite mer sofistikerade. De har traditionellt antagit formen av hydrauliska styrsystem ... och är ofta kopplade till pivotbevattning.

I dag använder mer avancerade industriella bevattningsstyrningar standardiserade programmerbara logikstyrenheter. Förutom att styra rörelsen i stora bevattningsanläggningar, t.ex. sådana som är baserade på bevattningssystem med linjär rörelse, kan dessa elektronikbaserade programmerbara logikstyrenheter konfgureras för att ta emot ingångsvärden från markfuktighetsgivare, flödessensorer, väderstationer och temperaturgivare. En del sådana system är nu lättillgängliga för mycket små jordbruksföretag (inom fruktindustrin och inom smart inomhusjordbruk) som använder styrenheter som Arduino för att automatisera bevattning av växter och växthus.

Figur 8: NetMCU från NETBEAT är ett exempel på en integrerad styrenhet för bevattning av kommersiell klass - och i själva verket utför den robusta produkten en mängd uppgifter såsom gödsling, gödning, beräkning av skörd och prognoser för en komplett lösning för digitalt jordbruk. (Bildkälla: Netafim)

Automatiserade styrenheter för bevattning kan mäta flödeshastigheten för att säkerställa att en uppmätt mängd vatten levereras, snarare än en godtycklig mängd som levereras under en förinställd tid. Genom att leverera en känd mängd vatten för ett angivet markområde kan man uppnå idealiska odlingsförhållanden utan att slösa vatten. Flödesreglering gör det även möjligt att upptäcka stopp och läckor, vilket gör att jordbrukare kan varnas för problem innan betydande skador på grödor eller vattenförluster uppstår. Med hjälp av IoT-protokoll, kan moderna styrenheter till och med skicka varningar till jordbrukarens mobiltelefon när sådana händelser inträffar.

Figur 9: De automatiserade styr- och I/O-komponenterna från RevPi bygger på Compute Module-modellen av minidatorn Raspberry Pi SoM/CPU/GPU. Den senaste modellen av RevPi har plats för analoga signaler som är användbara i vissa styrsystem för bevattning av grödor. (Bildkälla: KUNBUS)

Ett annat banbrytande alternativ för vissa jordbrukare är evapotranspiration eller ET-regulatorer. Dessa uppskattar vattenbehovet baserat på principerna för balansen mellan jord och vatten.

Vattenbalansen studeras inom jordbrukets hydrologi, men i sin mest grundläggande form måste tillflödet av vatten vara lika stort som utflödet plus förändringen i lagringen. Utflödet består av vattenflöde (avrinning) och evapotranspiration - vatten som förs ut i atmosfären genom avdunstning och transpiration genom vegetation.

ET-regulatorer kräver realtidsdata om tillflöden (bevattningens flödeshastighet och nederbörd) likväl som miljöparametrar som påverkar evapotranspirationen, t.ex. temperatur, luftfuktighet och solinstrålning. Nyckelparametrar som måste kontrolleras noggrant med hjälp av en ET-regulator (ofta en anpassad automatiseringsregulator) är bland annat grödornas koefficienter och markens vattenhållande förmåga. Jordbruksgrödans koefficient bestämmer transpirationshastigheten som en funktion av väderförhållandena och tillgången på vatten. ET-regulatorer kan minska vattenförbrukningen med upp till 63 % - en häpnadsväckande dramatisk besparing som många andra metoder inte kan mäta sig med.

Sammanfattning

Det finns många sofistikerade bevattningslösningar för dagens stora industriella jordbrukare. Automationsteknologin har i själva verket gjort avancerade bevattningsmetoder prisvärda för mindre jordbrukare och livsmedelsproducenter som specialiserar sig på grönsaker och känsliga grödor med snävare vinstmarginaler.