Problemer med vandknaphed løses med avanceret kunstvanding i landbruget

I løbet af det sidste årti er kontrol af vanding i landbruget blevet stadig mere sofistikeret. Nu har mange avlere erstattet traditionelle vandingstimer og hydrauliske regulatorer med avancerede kontrol- og tilslutningskomponenter, der er tilpasset komponenterne til industrielle applikationer - herunder systemer med PLC'er (programmerbare logikcontrollere), industrielle pc'er og stadig mere økonomiske automatiseringskomponenter med mulighed for at oprette forbindelse til og udnytte almindelige industrielle kommunikationsprotokoller. Disse controllere og komponenter kan modtage input fra kilder som f.eks. jordfugtighedssensorer, vejrstationer og frysesensorer for at give adaptive digitale landbrugsreaktioner i realtid.

Desuden er disse sofistikerede vandingskontrolsystemer nu blevet mere overkommelige ... samtidig med at brugen af data til optimering af vanding er blevet mere og mere intelligent.

Figur 1: Virksomheden Toro, der fremstiller udstyr til jordbrugspleje og landbrugsproducenter, sælger Tempus Automation-landbrugsvandingssystemer, der udnytter 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth-forbindelse. Med basisstationen kan producenterne styre ventiler og overvågningsenheder inden for en boble på op til 1,6 km. Der kan nemt tilføjes basestationer for at udvide rækkevidden; alle kan være solcelledrevne eller fastforbundne. (Billedkilde: The Toro Co.)

Vandbesparelse bliver stadig mere afgørende, efterhånden som klimaet bliver varmere, regionerne bliver mere tørre, befolkningen vokser, og grundvandsmagasinerne udtømmes. Faktisk kan vand snart blive den vigtigste kritiske ressource, som vil få større geopolitisk betydning end olie i det 21. århundrede - måske endda udløse fremtidens krige. Vandrelaterede problemer har allerede eksisteret længe i Mellemøsten. Denne region er blevet mere og mere tør siden civilisationens fødsel, og nu lever 5 % af verdens befolkning på kun 1 % af verdens ferskvand.

Figur 2: Bevanding af drivhusvanding og udendørs vanding af rækkeafgrøder baseret på mikrosprøjtesystemer og andre drypmetoder har fordel af avanceret vandingskontrol. (Billedkilde: Getty Images)

Set fra et forretningsperspektiv afspejles vandknapheden i højere priser på fødevarer og landbrugsprodukter, idet vandpriserne er steget hurtigere end energipriserne i løbet af det seneste årti. For at være helt klar - det er blevet vigtigt for både store kommercielle virksomheder og nystartede landbrugsvirksomheder at minimere vandforbruget og samtidig maksimere udbyttet af afgrøderne.

Styrbar vanding og vækstmekanismer

Kravene til vandingscontrollere afhænger af anvendelsen og systemtypen - uanset om de er baseret på sprinklere, drypvanding eller hydroponiske vandingskredsløb.

Figur 3: Kuldioxid-sensorerne i T3000-serien har IP67-huse, der kan modstå fugt, snavs og udsættelse for gødning i indendørs vertikal landbrug. Deres tilbagemeldinger kan bruges til automatiseret hydroponisk vanding og færdiggøringsrutiner. (Billedkilde: Amphenol Telaire )

Vanding af afgrøder, der dyrkes i væksthuse, kan kontrolleres meget nøje; uden variationen i det udendørs miljø kan det optimale lys, vand, gødning og jordsammensætning holdes inden for tolerancer. Vanding er altid baseret på et pumpe-besat reservoir og et vandingskredsløb baseret på bakker ... med næsten intet vandtab ved fordampning og intet tab ved afstrømning. Der findes mange softwaremuligheder til specifikke afgrøder; disse programmer inkorporerer branchens viden om plantearternes vækstcyklus og foretrukne vækstparametre.

Figur 4: Et IP67-kabinet gør WIL-lamperne særligt velegnede til indendørs digitale landbrugsapplikationer. (Billedkilde: Weidmüller)

Ved traditionelt udendørs landbrug er sprinkleranlæg det mest anvendte vandingsudstyr, og de er udformet med alt fra små sprinkleranlæg (som dem, der anvendes af husejere på græsplæner) til industrielle højtrykssprinkleranlæg drevet af elmotor- eller dieselpumper. Sidstnævnte omfatter massive lineære systemer, der med deres store sprinkleranlæg kan vande åbne marker, der strækker sig over mange hektar.

Et andet design, der er almindeligt i automatiserede vandingssystemer til store bedrifter, er sprinklere med slagdrift. Forenklede varianter af disse produkter sælges også som produkter til plænevanding. Sprinkleranlæg består kort sagt af et hoved, der sender en vandstråle forbi en mekanisk arm. Dette vand bliver gentagne gange ramt af armen og spredt ud over den dyrkede afgrøde. Det resulterende tryk og den mekaniske arms bevægelse skubber hovedet rundt om et drejepunkt, hvilket igen får sprinkleren til at feje gennem en cirkel eller en del af en bue.

En sidste mulighed for automatiseret vanding af landbrugsafgrøder er drypvanding. Uanset om det er baseret på såkaldte lækage-rør- eller mikrosprøjtehoveder, reducerer drypvanding vandforbruget (og især det vand, der går tabt ved fordampning) ved at levere vandet mere direkte til planternes rodzoner.

Mere om vanding i landbruget med center-pivot og lineær bevægelse

Center-pivot-vanding er en avanceret tilpasning af sprinklerbaseret vanding af afgrøder. Det er en af de mest effektive måder at vande store åbne marker på, og de typiske systemer i industrien kan dække en radius på 400 m i et område på op til 50 hektar (125 acres) eller deromkring. Vandingssystemer med center-pivot vandingssystemer vandes i en cirkelformet eller delvis bue ved at dreje et vandingsrør (med mange sprinklerhoveder) rundt om et fast pivot. Røret bæres af flere tårne, der flyttes hen over jorden med hjælp af hjul.

Figur 5: Tidskontrol anvendes med center-pivot vandingssystemer til at styre de grundlæggende vandplaner. Desuden overvåger understrømsmonitorer ofte det ene ben af trefasesystemerne på tårnene på center-pivot vandingssystemer. Sådanne understrømsmonitorer registrerer fastlåste eller fastklemte tårne for at forhindre overvanding. (Billedkilde: Littelfuse)

Mellem tårnene understøttes vandrøret af et spær med kabler som trækelementer - meget lig støttepunkterne på en hængebro. De oprindelige vandingssystemer, der blev udviklet i 1940'erne, brugte vandstrømmen til at drive hjulene. I dag er det langt mere almindeligt, at sådant udstyr er afhængig af elmotorer til at dreje hjulene til fremdrift. Hastigheden på disse hjul kan være ret langsom, da det kan tage et par dage, før systemets kontrolsystemer kan styre hjulene gennem en fuld omdrejning.

Figur 6: AgSense-softwaren (tilgængelig som en app via mobile enheder og bærbare computere) udnytter GPS- og feedbackteknologier til at hjælpe landbrugerne med at spore vandingspumper og hjælpekomponenter, flow- og trykstatus, jordfugtighedsniveauer, vejrforhold, tankniveauer (hvor det er relevant) og tegn på tyveri. En førende løsning til automatiserede pivot-vandingssystemer (men også kompatibel med lineære maskiner), som giver oplysninger og alarmer i realtid og endda muliggør styring af en blandet flåde af hydrauliske og elektriske pivots. Softwaren muliggør grundlæggende funktionaliteter for digitale paneler, samtidig med at den bevarer kompatibiliteten med mekaniske paneler af ethvert mærke eller årgang. (Billedkilde: Valmont Industries Inc.)

Pivotvandingssystemer er store og overraskende komplekse maskiner, der giver deres egne udfordringer med hensyn til distriktskontrol. Tårnene bevæger sig ikke i takt, men stopper og starter hver for sig for at opretholde en tilnærmelsesvis justering af røret. Den betydelige fleksibilitet i røret og i de spær, der bærer det, gør det muligt at tilpasse tårnenes ujævne bevægelser og de naturlige bølger i jorden.

På pivotvandingssystemer styres tårnsektionerne individuelt. Traditionelt opnås dette med enkle mekanismer og grænsekontakter. Hver sektion kan nemt mærke sin vinkel i forhold til den næste sektion ved at overvåge positionen af et håndtag, der er fastgjort til den næste sektion. Simple slutkontakter kan derefter starte, stoppe og bakke hjulene i overensstemmelse med den relative vinkelposition for den næste tårnsektion. En sådan fremgangsmåde er velegnet til enkel hydraulisk styring med hydraulisk drevne hjul.

En sprøjtepistol i enden af det yderste center-pivot-tårn kan udvide det vandede område ud over den fysiske struktur. Hvis denne fungerer kontinuerligt, vil området stadig være cirkulært. Ved at styre pistolen er det imidlertid muligt at vande et omtrent kvadratisk område ved hjælp af et center-pivot-vandingssystem.

(Videokilde: UNL Biological Systems Engineering)

Bevandingssystemer med lineær bevægelse, der også anvender sprinklere, ligner systemer med center-pivot-systemer. Tårnsektioner køres dog ikke i en bue omkring et fast omdrejningspunkt. I stedet bevæger de sig frem og tilbage i en lige linje. Det betyder, at lineære vandingssystemer dækker et rektangulært område i stedet for et cirkulært område. Et sådant dækningsområde kan være bedre egnet til eksisterende marksystemer og give en mere fuldstændig dækning af jorden. Det gør det dog også kontrollen af de drevne tårne og kontrollen af forsyningsvandet mere udfordrende.

Figur 7: Dette er en vandingskonstruktion med lineære bevægelser. Automatiserede systemer, der anvender dette mekaniske udstyr, løser vanskelige udfordringer i forbindelse med udendørs vanding. (Billedkilde: Getty Images)

I nogle konstruktioner tilføres vandet via en åben kanal langs den ene kant af det vandede område eller (i alternative ordninger) via en fleksibel slange. Der skal dog tages forbehold for, at tårnene i sådanne lineære vandingssystemer skal have koordinerede hastigheder for at holde røret nogenlunde lige - og tårnene skal styres sammen, så systemet hele tiden kører frem og tilbage over marken uden at dreje af sporet. For at opfylde disse krav er nogle tårne programmeret til at følge nedgravede kabler.

Landbrugsstyringskontrolenheder til kunstvanding

De enkleste vandingsregulatorer er blot timere, der tillader frit vandløb på forudindstillede tidspunkter. Sådanne timere findes også i sprinklere til græsplænevanding i forbrugerklassen.

Lidt mere sofistikerede er industrielle vandingsstyringer. Disse har traditionelt taget form af hydrauliske styresystemer ... og er ofte kombineret med vandingsanlæg med centraldrejning.

I dag bruger mange mere avancerede industrielle vandingsstyringer standard PLC'er. Ud over at styre bevægelsen af store vandingsanlæg, f.eks. baseret på lineært bevægeligt vandingsudstyr, kan denne PLC-baserede elektronik konfigureres til at modtage input fra jordfugtighedssensorer, flowsensorer, vejrstationer og frysesensorer. Nogle af disse systemer er nu let tilgængelige for meget små landbrugsbedrifter (både inden for frugtindustrien og indendørs smart-farming), der bruger controllere som Arduino til at automatisere vanding af planter og drivhuse.

Figur 8: NETBEAT NetMCU er et eksempel på en integreret vandingscontroller i kommerciel kvalitet - og faktisk udfører det robuste produkt et væld af gødnings-, færdiggørings-, afgrødemodellerings- og prognoseopgaver for at opnå en komplet digital landbrugsløsning. (Billedkilde: Netafim)

Automatiserede vandingsregulatorer kan måle flowhastigheden for at sikre levering af en målt vandmængde i stedet for en vilkårlig mængde, der leveres over en forudindstillet tid. Ved at levere en kendt mængde vand til et givet jordareal kan man opnå ideelle vækstbetingelser uden at spilde vand. Flowkontrol gør det også muligt at registrere blokeringer og lækager og advarer operatørerne om problemer, før der opstår betydelige afgrødeskader eller vandtab. Ved hjælp af IoT-protokoller kan moderne styringer endda sende advarsler til en operatørs mobiltelefon, når sådanne hændelser opstår.

Figur 9: RevPi automatiserede kontrol- og I/O-komponenter er bygget op omkring Compute Module-varianten af Raspberry Pi SoM/CPU/GPU-minicomputeren med et enkelt kort. De nyeste RevPi-varianter kan håndtere analoge signaler, der er nyttige for visse metoder til styring af afgrødevanding. (Billedkilde: KUNBUS)

En anden avanceret mulighed for nogle landmænd er evapotranspiration eller ET-regulatorer. Disse vurderer vandbehovet på grundlag af principperne om jord-vandbalance.

Vandbalancen undersøges af landbrugshydrologien, men i sin mest grundlæggende form skal vandtilstrømningen være lig med udstrømningen plus ændringen i oplagringen. Udstrømningen består af vandløbsstrøm (afstrømning) og evapotranspiration - vandets udledning til atmosfæren ved fordampning og transpiration gennem vegetationen.

ET-regulatorer kræver realtidsdata om tilstrømning (vandingsmængde og nedbør) samt miljøparametre, der påvirker evapotranspirationen, f.eks. temperatur, fugtighed og solindstråling. Nøgleparametre, der skal styres nøje via en ET-controller (ofte en tilpasset automatiseringscontroller), omfatter afgrødekoefficienter og jordens vandholdende kapacitet. Landbrugsafgrødekoefficienten bestemmer transpirationshastigheden som en funktion af vejrforholdene og tilgængeligheden af vand. ET-controllere kan reducere vandforbruget med op til 63 % - en forbløffende dramatisk besparelse, som mange andre metoder ikke kan hamle op med.

Konklusion

Der findes mange avancerede vandingsløsninger til de store industrielle landbrugere i dag. Faktisk har automatiseringsteknologier også gjort avancerede vandingsmetoder overkommelige nok til mindre landmænd og fødevareproducenter, der specialiserer sig i grøntsager og sarte afgrøder med mindre overskudsmarginaler.