Problémy s nedostatkem vody řeší vyspělé metody zavlažování

Během posledního desetiletí se řízení zavlažování v zemědělství stává stále sofistikovanějším. Mnoho pěstitelů dnes nahradilo tradiční zavlažovací časovače a hydraulické regulátory pokročilými ovládacími a propojovacími prvky, které byly převzaty z prvků pro průmyslové aplikace – včetně systémů využívajících programovatelné logické automaty (PLC), průmyslové počítače a stále úspornější automatizační prvky s možností připojení a využití běžných průmyslových komunikačních protokolů. Tyto řídicí jednotky a komponenty mohou přijímat vstupy ze zdrojů, jako jsou snímače vlhkosti půdy, meteorologické stanice a snímače mrazu, a v reálném čase tak vyvolávat adaptivní reakce digitálního zemědělství.

Navíc jsou tyto sofistikované systémy řízení zavlažování nyní cenově dostupnější... i při stále inteligentnějším využívání dat k optimalizaci zavlažování.

Obrázek 1: Společnost Toro dodávající zařízení pro údržbu půdy a zemědělské pěstitelské vybavení prodává zemědělské zavlažovací systémy Tempus Automation, které využívají připojení 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. Základní stanice umožňuje pěstitelům ovládat ventily a monitorovací zařízení s dosahem až 1,6 km. Dosah lze snadno rozšířit doplněním základnových stanic; všechny mohou být napájeny solární energií nebo z elektrické sítě. (Zdroj obrázku: The Toro Co.)

S oteplováním klimatu, vyprahlejšími regiony, nárůstem počtu obyvatel a vyčerpáváním vodonosných vrstev je stále důležitější šetřit vodou. Voda by se totiž brzy mohla stát hlavním kritickým zdrojem, který bude mít v 21. století větší geopolitický význam než ropa – v budoucnu možná dokonce vyvolá války. Problémy související s vodou jsou na Blízkém východě již dlouhodobé. Tento region se od vzniku civilizace postupně vysušoval a v současnosti uživí 5 % světové populace při pouhém 1 % světových zásob sladké vody.

Obrázek 2: Zavlažování skleníků a venkovních řádkových plodin založené na systémech mikropostřiků a dalších metodách kapkové závlahy využívá pokročilého řízení zavlažování. (Zdroj obrázku: Getty Images)

Z obchodního hlediska se nedostatek vody promítá do vyšších cen potravin a zemědělských produktů a ceny vody v posledních deseti letech rostou rychleji než ceny energií. Aby bylo jasno – pro velké komerční provozy i začínající zemědělské podniky se stalo zásadní minimalizovat spotřebu vody a zároveň maximalizovat výnosy plodin.

Řiditelné zavlažovací a pěstební mechanismy

Požadavky na řídicí jednotky zavlažování závisí na aplikaci a typu systému – ať už se jedná o zavlažování postřikovači, kapkovou závlahu nebo hydroponické zavlažovací okruhy.

Obrázek 3: Tělesa senzorů oxidu uhličitého řady T3000 mají stupeň krytí IP67, takže odolají vlhkosti, nečistotám a působení hnojiv ve vnitřních provozech vertikálního zemědělství. Jejich zpětná vazba může informovat o postupech automatického hydroponického zavlažování a fertigace. (Zdroj obrázku: Amphenol Telaire)

Zavlažování plodin pěstovaných ve sklenících lze velmi přesně kontrolovat; bez proměnlivosti venkovního prostředí lze trvale udržovat optimální světlo, vodu, hnojení a složení půdy v mezích tolerance. Zavlažování vždy představuje zavlažovací okruh se zásobníkem vybaveným čerpadlem a žlaby... odpařováním nebo úniky se neztrácí téměř žádná voda. Existuje mnoho možností softwaru pro specifické plodiny; tyto programy obsahují odborné znalosti o růstových cyklech rostlinných druhů a preferovaných parametrech pěstování.

Obrázek 4: Díky tělesu s krytím IP67 jsou světla WIL zvláště vhodná pro digitálně řízené pěstování ve vnitřních prostorách. (Zdroj obrázku: Weidmüller)

V tradičním venkovním zemědělství jsou nejrozšířenějším zavlažovacím zařízením postřikovače, jejichž konstrukce sahají od malých postřikovačů trávníků (podobných těm, které používají majitelé domů na trávnících) až po vysokotlaké průmyslové postřikovače poháněné elektromotorem nebo naftovými čerpadly. Poslední jmenované systémy zahrnují masivní systémy s lineárním pohybem, které jsou schopny zavlažovat otevřená pole o rozloze mnoha hektarů pomocí velkých soustav postřikovačů.

Další konstrukcí, která je běžná v automatizovaných systémech pro velkoplošné zavlažování, jsou úderové postřikovače. Jejich zjednodušené varianty se prodávají také jako spotřebitelské výrobky pro zavlažování trávníků. Stručně řečeno, úderové zavlažovače se skládají z hlavice, která vysílá proud vody kolem mechanického ramene. Tato voda opakovaně dopadá na rameno a rozptyluje se po pěstované plodině. Vzniklý tlak a pohyb mechanického ramene tlačí hlavu kolem čepu, což následně způsobuje, že postřikovač opisuje kruh nebo částečný oblouk.

Poslední možností automatizovaného zavlažování zemědělských plodin je kapková závlaha. Kapková závlaha, ať už je založena na takzvaných soustavách netěsných trubek nebo soustavách mikropostřikovačů, snižuje spotřebu vody (a zejména ztráty odpařováním) tím, že dodává vodu přímo ke kořenům rostlin.

Více o zemědělských zavlažovacích systémech s rotačním a lineárním pohybem

Pivotové zavlažování je pokročilou úpravou zavlažování pomocí postřikovačů. Je to jeden z nejefektivnějších způsobů zavlažování velkých otevřených polí, přičemž typické průmyslové systémy jsou schopny pokrýt plochu o poloměru 400 m o rozloze až 50 hektarů (125 akrů). Zavlažovací systémy se středovým otočným čepem (pivotem) zavlažují kruhový nebo částečný oblouk otáčením zavlažovací trubky (s mnoha sprinklerovými hlavicemi) kolem pevného otočného čepu. Trubka je nesena několika věžemi, které se pohybují po zemi pomocí motorových kol.

Obrázek 5: Časovací řídicí jednotky se používají s pivotovými zavlažovacími systémy k řízení základních plánů zavlažování. Monitory podproudu kromě toho často dohlížejí na jedno rameno třífázových systémů na věžích pivotových zavlažovacích systémů. Tyto monitory podproudu detekují zablokované nebo zaseknuté věže, aby se zabránilo nadměrnému zavlažování. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Mezi věžemi je vodovodní potrubí podepřeno příhradovou konstrukcí, která využívá lana jako tahové prvky – velmi podobně jako podpěry visutého mostu. Původní pivotové zavlažovací systémy, vyvinuté ve 40. letech 20. století, využívaly k pohonu kol proudu vody. Dnes je mnohem běžnější, že kola takových zařízení pohánějí elektromotory. Rychlost těchto kol může být poměrně nízká, protože může trvat několik dní, než kola ovládaná řídicí jednotkou systému opíšou celou jednu otáčku.

Obrázek 6: Software AgSense (dostupný jako aplikace prostřednictvím mobilních zařízení a notebooků) využívá technologie GPS a zpětné vazby, které zemědělcům pomáhají sledovat zavlažovací čerpadla a pomocné komponenty, stavy průtoku a tlaku, úroveň vlhkosti půdy, povětrnostní podmínky, hladinu v nádržích (v případě potřeby) a důkazy o krádežích. Jedná se o špičkovou volbu pro automatizované pivotové zavlažovací systémy (rovněž kompatibilní s lineárními stroji), která poskytuje informace a alarmy v reálném čase a umožňuje i správu smíšeného parku hydraulických a elektrických pivotů. Software v podstatě umožňuje funkce digitálních panelů při zachování kompatibility s mechanickými panely jakékoli značky nebo data výroby. (Zdroj obrázku: Valmont Industries Inc.)

Pivotové zavlažovací systémy jsou velké a překvapivě složité stroje, které mají specifické nároky v oblasti řízení. Věže se nepohybují současně, ale zastavují a spouštějí se jednotlivě, aby se zachovalo přibližné vyrovnání potrubí. Značná pružnost potrubí spolu s pružností příhradových prvků, které ho podpírají, umožňuje přizpůsobit se nerovnoměrnému pohybu věží a přirozenému zvlnění terénu.

U pivotových zavlažovacích systémů jsou sekce věže ovládány individuálně. Tradičně se toho dosahuje pomocí jednoduchých mechanismů a koncových spínačů. Každá sekce může snadno zjistit svůj úhel vzhledem k následující sekci sledováním polohy páky připevněné k následující sekci. Jednoduché koncové spínače pak mohou spouštět, zastavovat a obracet kola podle relativní úhlové polohy další sekce věže. Takový přístup je vhodný pro jednoduché hydraulické ovládání s hydraulicky poháněnými koly.

Postřikovací pistole na konci nejvzdálenější věže s pivotem může rozšířit zavlažovanou plochu mimo fyzickou konstrukci. Pokud bude pracovat nepřetržitě, bude plocha stále kruhová. Ovládáním pistole je však pomocí pivotového zavlažovacího systému možné zavlažovat přibližně čtvercovou oblast.

(Zdroj videa: UNL Biological Systems Engineering)

Pivotovým systémům jsou podobné zavlažovací systémy s lineárním pohybem, které rovněž využívají postřikovače. Věžové sekce však nejezdí v oblouku kolem pevného čepu. Místo toho se pohybují sem a tam v přímém směru. To znamená, že zavlažovací systémy s lineárním pohybem pokrývají spíše obdélníkovou než kruhovou plochu. Takovou plochu pokrytí je možné lépe přizpůsobit stávajícím polním systémům a docílit úplnějšího pokrytí pozemku. Zároveň je však náročnější řízení poháněných věží a přívodu vody.

Obrázek 7: Varianta zavlažování s lineárním pohybem. Automatizované systémy využívající toto mechanické zařízení řeší nároky venkovního zavlažování. (Zdroj obrázku: Getty Images)

V některých provedeních je voda přiváděna otevřeným kanálem podél jednoho okraje zavlažované plochy nebo (v alternativních uspořádáních) pružnou hadicí. Je třeba mít na paměti, že věže těchto lineárně se pohybujících zavlažovacích systémů musí mít koordinovanou rychlost, aby potrubí zůstalo přiměřeně rovné, a věže musí jet společně, aby se systém neustále pohyboval vpřed a zpět po poli, aniž by vybočil z dráhy. Pro splnění těchto požadavků jsou některé věže naprogramovány tak, aby sledovaly zakopané kabely.

Řídicí jednotky pro zavlažování

Nejjednoduššími řídicími jednotkami zavlažování jsou pouze časovače, které umožňují volný průtok vody v předem nastavených časech. Takové časovače se také nacházejí ve postřikovačích trávníků pro běžné spotřebitele.

O něco sofistikovanější jsou průmyslové řídicí jednotky pro zavlažování. Ty mají tradičně podobu hydraulických řídicích systémů a často jsou spojeny s pivotovými zavlažovači.

V současné době mnoho pokročilejších průmyslových řídicích systémů pro zavlažování využívá standardní PLC. Kromě řízení pohybu velkých zavlažovačů, například na bázi zavlažovacích zařízení s lineárním pohybem, lze tuto elektroniku založenou na PLC nakonfigurovat tak, aby přijímala vstupy ze snímačů vlhkosti půdy, průtokových čidel, meteorologických stanic a snímačů mrazu. Některé takové systémy jsou nyní snadno dostupné i pro velmi malé zemědělské provozy (v ovocnářství i při inteligentním pěstování ve vnitřních prostorách), které k automatizaci zavlažování rostlin a skleníků používají řídicí jednotky, jako je Arduino.

Obrázek 8: NETBEAT NetMCU je příkladem komerčního integrovaného zavlažovacího regulátoru – ve skutečnosti tento robustní produkt provádí řadu úloh hnojení, fertigace, modelování plodin a prognóz a poskytuje tak kompletní digitální řešení pro pěstitele. (Zdroj obrázku: Netafim)

Automatizované řídicí jednotky pro zavlažování mohou měřit průtok a zajistit dodávku stanoveného množství vody, nikoli libovolného množství vody dodaného za předem nastavený čas. Přivedením známého množství vody na danou plochu půdy lze dosáhnout ideálních podmínek pro pěstování bez plýtvání vodou. Řízení průtoku také umožňuje detekovat ucpání a úniky, a upozornit tak obsluhu na problémy dříve, než dojde k významnému poškození plodin nebo ztrátě vody. Pomocí IoT protokolů mohou moderních řídicí jednotky dokonce odesílat upozornění na mobilní telefon obsluhy, když k takové události dojde.

Obrázek 9: Komponenty automatizované řídicí jednotky RevPi a vstupů/výstupů jsou založeny na variantě Compute Module jednodeskového minipočítače Raspberry Pi SoM/CPU/GPU. Nejnovější varianty RevPi umožňují přijímat analogové signály užitečné pro některé způsoby řízení zavlažování plodin. (Zdroj obrázku: KUNBUS)

Další špičkovou možností pro některé zemědělce jsou řídicí jednotky evapotranspirace neboli ET. Ty odhadují potřebu vody na základě principů bilance vody v půdě.

Vodní bilancí se zabývá zemědělská hydrologie, ale jejím nejzákladnějším principem je to, že přítok vody se musí rovnat odtoku plus změně zásob. Odtok se skládá z odtoku vody z vodních toků a evapotranspirace – přesunu vody do atmosféry vypařováním a transpirací přes vegetaci.

Řídicí jednotky ET vyžadují údaje v reálném čase o přítocích (průtoku při zavlažování a srážkách) a také o parametrech prostředí, které ovlivňují evapotranspiraci, jako je teplota, vlhkost a sluneční záření. Mezi klíčové parametry, které je třeba přísně kontrolovat pomocí řídicí jednotky ET (často jde o upravenou automatickou řídicí jednotky), patří koeficienty plodin a schopnost půdy zadržovat vodu. Koeficient zemědělské plodiny určuje rychlost transpirace v závislosti na povětrnostních podmínkách a dostupnosti vody. Řídicí jednotky ET mohou snížit spotřebu vody až o 63 %, což jsou neuvěřitelně výrazné úspory, kterých nelze dosáhnout jinými metodami.

Závěr

Dnešní velcí průmysloví zemědělci mají k dispozici mnoho sofistikovaných řešení zavlažování. Díky automatizačním technologiím jsou vyspělé metody zavlažování cenově dostupné i pro menší zemědělce a výrobce potravin, kteří se specializují na zeleninu a choulostivé plodiny s nižšími maržemi.