Problemen van waterschaarste opgelost met geavanceerde landbouwirrigatie

In de afgelopen tien jaar zijn de irrigatiecontroles in de landbouw steeds geavanceerder geworden. Nu hebben veel telers de traditionele irrigatietimers en hydraulische regelaars vervangen door geavanceerde besturings- en verbindingscomponenten die zijn aangepast aan die voor industriële toepassingen - inclusief systemen met programmeerbare logische controllers (PLC's), industriële pc's en steeds zuinigere automatiseringscomponenten die kunnen worden aangesloten op gangbare industriële communicatieprotocollen. Deze controllers en componenten kunnen inputs aanvaarden van bronnen zoals bodemvochtsensoren, weerstations en vorstsensoren om in real time adaptieve digitale landbouwreacties te geven.

Bovendien worden deze geavanceerde irrigatiecontrolesystemen nu betaalbaarder ... terwijl het gebruik van gegevens om de irrigatie te optimaliseren steeds intelligenter is geworden.

Afbeelding 1: Hoveniers- en landbouwuitrustingbedrijf Toro verkoopt Tempus Automation-landbouwirrigatiesystemen die gebruikmaken van 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth-connectiviteit. Met het basisstation kunnen telers kleppen en bewakingsapparatuur bedienen binnen een straal van maximaal 1,6 km. Basisstations kunnen gemakkelijk worden toegevoegd om het bereik uit te breiden; ze kunnen allemaal op zonne-energie werken of met een kabel. (Bron afbeelding: The Toro Co.)

Waterbehoud wordt steeds noodzakelijker naarmate het klimaat opwarmt, de regio's droger worden, de bevolking toeneemt en de grondwaterlagen uitgeput raken. In feite zou water weldra de belangrijkste kritische hulpbron kunnen worden die in de 21e eeuw meer geopolitiek belang zal krijgen dan olie - misschien zelfs de aanzet tot de oorlogen van de toekomst. In het Midden-Oosten bestaan al lang problemen in verband met water. Deze regio is sinds het ontstaan van de beschaving steeds armer geworden en voedt nu 5% van de wereldbevolking met slechts 1% van het zoetwater in de wereld.

Afbeelding 2: irrigatie in kassen en buitenrijen op basis van microspray-systemen en andere druppelmethoden hebben baat bij geavanceerde irrigatiecontroles. (Bron afbeelding: Getty Images)

Vanuit zakelijk oogpunt komt waterschaarste tot uiting in hogere prijzen voor voedsel en landbouwproducten, waarbij de waterprijzen de afgelopen tien jaar sneller zijn gestegen dan de energieprijzen. Voor alle duidelijkheid: het is voor zowel grootschalige commerciële bedrijven als startende landbouwbedrijven essentieel geworden om het waterverbruik te minimaliseren en tegelijkertijd de opbrengst van de gewassen te maximaliseren.

Controleerbare irrigatie- en groeimechanismen

De vereisten voor irrigatiecontrollers hangen af van de toepassing en het type systeem - of het nu gaat om sprinklers, druppelirrigatie of hydroponische besproeiingscircuits.

Afbeelding 3: Kooldioxidesensors uit de T3000-serie hebben een IP67-behuizing om bestand te zijn tegen vocht, vuil en blootstelling aan meststoffen in overdekte verticale landbouwbedrijven. Hun feedback kan worden gebruikt voor automatische hydroponische irrigatie en fertigatie routines. (Bron afbeelding: Amphenol Telaire)

De irrigatie van in kassen gekweekte gewassen kan zeer streng worden gecontroleerd; zonder de variabiliteit van de buitenomgeving kan de optimale samenstelling van licht, water, bemesting en grond consequent binnen de toleranties worden gehouden. De irrigatie is altijd gebaseerd op een reservoir met pomp en een irrigatiecircuit op basis van goten ... met bijna geen waterverlies door verdamping en geen verlies door afvloeiing. Softwareopties voor specifieke gewassen zijn er in overvloed; deze programma's bevatten kennis van de industrie over de groeicycli van plantensoorten en de gewenste groeiparameters.

Afbeelding 4: Een IP67-behuizing maakt de WIL-lampen bijzonder geschikt voor digitale toepassingen binnenshuis. (Bron afbeelding: Weidmüller)

Voor de traditionele landbouw in de open lucht zijn sproeiers de meest gebruikte irrigatieapparatuur, met ontwerpen die variëren van kleine gazonsproeiers (zoals die welke door huiseigenaren voor hun gazons worden gebruikt) tot industriële sproeiers onder hoge druk die worden aangedreven door pompen met een elektrische motor of diesel. Deze laatste omvat enorme lineaire systemen die met hun grote sproei-installaties open velden van vele hectaren kunnen bevloeien.

Een ander ontwerp dat gebruikelijk is bij geautomatiseerde irrigatiesystemen voor grootschalige activiteiten zijn impactsproeiers. Vereenvoudigde varianten hiervan worden ook verkocht als gazonbevloeiingsproducten voor consumenten. Kort gezegd bestaan impactproeiers uit een kop die een waterstraal langs een mechanische arm stuurt. Dit water wordt herhaaldelijk door de arm geslagen en over het geteelde gewas verspreid. De resulterende druk en de beweging van de mechanische arm duwt de kop rond een spil, die er op zijn beurt voor zorgt dat de sproeier door een cirkel of een deelboog veegt.

Een laatste optie voor automatische besproeiing van landbouwgewassen is druppelbevloeiing. Of het nu gaat om zogenaamde lekke pijpen of microspray koppen, druppelirrigatie vermindert het waterverbruik (en vooral het waterverlies door verdamping) door het water directer naar de wortelzones van de planten te leiden.

Meer over centrale sproei-installatie en lineaire beweging

De centrale sproei-installatie is een geavanceerde aanpassing van de besproeiing van gewassen met sproeiers. Het is een van de meest effectieve manieren om grote open velden te bevloeien, waarbij de gebruikelijke systemen een straal van 400 meter kunnen bestrijken in een gebied tot 50 hectare. Centrale sproeisystemen besproeien een cirkelvormige of gedeeltelijke boog door een besproeiingsbuis (met vele sproeikoppen) rond een vaste spil te draaien. De pijp wordt gedragen door meerdere torens die door aangedreven wielen over de grond worden bewogen.

Afbeelding 5: Timing controles worden gebruikt bij centrale sproeisystemen om basis water schema's aan te sturen. Bovendien houden onderstroommeters vaak toezicht op één poot van de driefasige systemen op de torens van centrale sproeisystemen. Dergelijke onderstroommeters detecteren vastgelopen of vastgelopen torens om overbewatering te voorkomen. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Tussen de torens wordt de waterleiding ondersteund door een vakwerk met kabels als trekelementen - zeer vergelijkbaar met de steunen van een hangbrug. De oorspronkelijke middenspil irrigatiesystemen, ontwikkeld in de jaren 1940, gebruikten de waterstroom om de wielen aan te drijven. Tegenwoordig is het veel gebruikelijker dat dergelijke apparatuur op elektromotoren steunt om de wielen aan te drijven. De snelheid van deze wielen kan vrij laag zijn, aangezien het enkele dagen kan duren voordat de systeembesturing de wielen één volledige omwenteling laat maken.

Afbeelding 6: AgSense-software (toegankelijk als app via mobiele apparaten en laptops) maakt gebruik van GPS en feedbacktechnologieën om boeren te helpen irrigatiepompen en hulpcomponenten te volgen; debiet en drukstatus; bodemvochtgehalte; weersomstandigheden; tankniveaus (indien van toepassing); en bewijs van diefstal. Een toonaangevende optie voor automatische pivot-irrigatiesystemen (maar ook compatibel met lineaire machines). Het aanbod biedt real-time informatie en alarmen en maakt zelfs het beheer van een gemengde vloot van hydraulische en elektrische pivots mogelijk. In wezen maakt de software digitale paneelfuncties mogelijk terwijl de compatibiliteit met mechanische panelen van alle merken en oudheden behouden blijft. (Bron afbeelding: Valmont Industries Inc.)

Draaibare irrigatiesystemen zijn grote en verrassend complexe machines die hun eigen uitdagingen op het gebied van wijkbeheer met zich meebrengen. De torens bewegen niet unisono, maar stoppen en starten afzonderlijk om de pijp ongeveer in lijn te houden. De grote flexibiliteit van de buis en van de spanten die de buis ondersteunen, houdt rekening met de ongelijke bewegingen van de torens en de natuurlijke golvingen in de grond.

Bij spilirrigatiesystemen worden de torensecties afzonderlijk aangestuurd. Traditioneel wordt dit bereikt met eenvoudige mechanismen en eindschakelaars. Elke sectie kan gemakkelijk zijn hoek ten opzichte van de volgende sectie voelen door de positie van een hefboom die aan de volgende sectie is bevestigd te controleren. Eenvoudige eindschakelaars kunnen dan de wielen starten, stoppen en omkeren, afhankelijk van de relatieve hoekpositie van de volgende torensectie. Een dergelijke aanpak is geschikt voor eenvoudige hydraulische besturing met hydraulisch aangedreven wielen.

Een spuitpistool aan het uiteinde van de buitenste centrale spiltoren kan het besproeide gebied uitbreiden tot buiten de fysieke structuur. Als dit continu werkt, blijft het gebied cirkelvormig. Door het pistool te regelen is het echter mogelijk een ongeveer vierkant gebied te irrigeren met een centraal sproeisysteem.

(Bron video: UNL Biological Systems Engineering)

De lineaire irrigatiesystemen, die ook gebruik maken van sproeiers, zijn vergelijkbaar met centrale sproeisystemen. Maar torensecties worden niet in een boog rond een vaste spil gereden. In plaats daarvan bewegen ze in een rechte lijn heen en weer. Dit betekent dat lineaire irrigatiesystemen een rechthoekig gebied bestrijken in plaats van een cirkelvormig gebied. Een dergelijk dekkingsgebied kan beter geschikt zijn voor bestaande veldsystemen en een vollediger dekking van het land opleveren. Het maakt echter ook de controle van de aangedreven torens en de controle van het aanvoerwater moeilijker.

Afbeelding 7: Dit is een ontwerp voor lineaire irrigatie. Geautomatiseerde systemen die gebruik maken van deze mechanische apparatuur pakken moeilijke buitenirrigatieproblemen aan. (Bron afbeelding: Getty Images)

In sommige ontwerpen wordt het water aangevoerd via een open kanaal langs één rand van het bevloeide oppervlak of (in alternatieve regelingen) via een flexibele slang. Het voorbehoud is dat de torens van dergelijke lineair bewegende irrigatiesystemen gecoördineerde snelheden moeten hebben om de pijp redelijk recht te houden - en de torens moeten samen sturen zodat het systeem voortdurend vooruit en achteruit over het veld rijdt zonder van het spoor af te wijken. Om aan deze eisen te voldoen zijn sommige torens geprogrammeerd om ondergrondse kabels te volgen.

Irrigatiecontroller voor landbouw

De eenvoudigste irrigatiecontroller zijn gewoon timers die de vrije stroom van water op vooraf ingestelde tijden mogelijk maken. Dergelijke timers zijn ook te vinden in gazonsproeiers van consumentenkwaliteit.

Iets geavanceerder zijn industriële besproeiingscontrollers. Deze hebben traditioneel de vorm van hydraulische regelsystemen ... en zijn vaak gekoppeld aan middenspil irrigatiesystemen.

Tegenwoordig maken veel meer geavanceerde industriële irrigatiecontroles gebruik van standaard PLC's. Naast de regeling van de beweging van grote irrigatiemachines zoals die op basis van lineair bewegende irrigatieapparatuur, kan deze PLC-gebaseerde elektronica worden geconfigureerd om inputs te aanvaarden van bodemvochtsensoren, flowsensoren, weerstations en vorstsensoren. Sommige van die systemen liggen nu gemakkelijk binnen het bereik van zeer kleine landbouwbedrijven (zowel in de fruitsector als in de sector van de indoor smart-farming) die controllers zoals de Arduino gebruiken om de bewatering van planten en kassen te automatiseren.

Afbeelding 8: De NETBEAT NetMCU is een voorbeeld van een geïntegreerde irrigatiecontroller van commerciële kwaliteit - en in feite voert het robuuste product een groot aantal bemestings-, fertigatie-, gewasmodellerings- en prognosetaken uit voor een complete digitale landbouwoplossing. (Bron afbeelding: Netafim)

Geautomatiseerde irrigatiecontroller kunnen het debiet meten om een gemeten hoeveelheid water te leveren in plaats van een willekeurige hoeveelheid die gedurende een vooraf ingestelde tijd wordt geleverd. Door een bekende hoeveelheid water te leveren voor een bepaald bodemoppervlak kunnen ideale groeiomstandigheden worden bereikt zonder water te verspillen. Met debietregeling kunnen ook verstoppingen en lekken worden opgespoord, zodat de exploitanten worden gewaarschuwd voordat er aanzienlijke schade aan de gewassen of waterverlies optreedt. Met behulp van IoT-protocollen kunnen moderne controllers zelfs waarschuwingen sturen naar de mobiele telefoon van een operator wanneer dergelijke gebeurtenissen zich voordoen.

Afbeelding 9: RevPi geautomatiseerde besturings- en I/O-componenten zijn opgebouwd rond de Compute Module-variant van de single-board Raspberry Pi SoM/CPU/GPU-minicomputer. De nieuwste RevPi-varianten zijn geschikt voor analoge signalen die nuttig zijn voor bepaalde vormen van gewasbesproeiing. (Bron afbeelding: KUNBUS)

Een andere geavanceerde optie voor sommige landbouwers zijn evapotranspiratie- of ET-controllers. Deze schatten de waterbehoeften op basis van de grond-waterbalans.

De waterbalans wordt bestudeerd in de landbouwhydrologie, maar in wezen moet de watertoevoer gelijk zijn aan de afvoer plus de verandering in de opslag. De uitstroom bestaat uit beekloop (runoff) en evapotranspiratie - de verplaatsing van water naar de atmosfeer door verdamping en transpiratie via de vegetatie.

ET-controllers hebben real-time gegevens nodig over de instroom (irrigatiedebiet en regenval) en over omgevingsparameters die de evapotranspiratie beïnvloeden, zoals temperatuur, vochtigheid en zonnestraling. Belangrijke parameters die via een ET-controllers (vaak een aangepaste automatiseringsregelaar) nauwkeurig moeten worden geregeld, zijn onder meer de gewascoëfficiënten en het waterhoudend vermogen van de bodem. De landbouwgewascoëfficiënt bepaalt de transpiratiesnelheid als functie van de weersomstandigheden en de beschikbaarheid van water. ET-controllers kunnen het waterverbruik tot 63% verminderen - een verbazingwekkend dramatische besparing die door veel andere benaderingen niet wordt geëvenaard.

Conclusie

Voor de grote industriële landbouwers van vandaag zijn er geavanceerde irrigatieoplossingen in overvloed. Automatiseringstechnologieën hebben geavanceerde irrigatiemethoden ook betaalbaar gemaakt voor kleinere boeren en voedselproducenten die gespecialiseerd zijn in groenten en delicate gewassen met kleinere winstmarges.