A vízhiány jelentette problémák megoldása korszerű mezőgazdasági öntözésszabályozással

Az elmúlt évtizedben az öntözés szabályozása egyre kifinomultabbá vált a mezőgazdaságban. Mostanra sok termelő a hagyományos öntözésidőzítőket és hidraulikus szabályozókat az ipari felhasználási területekről átvett fejlett szabályozó- és kapcsolatkezelő eszközökkel váltotta fel – beleértve a programozható logikai vezérlőegységeket (PLC, programmable logic controller), ipari számítógépeket és egyre gazdaságosabb automatizálási eszközöket használó rendszereket, amelyek képesek csatlakozni az elterjedt ipari kommunikációs protokollokhoz, és kihasználni azokat. Ezek a vezérlőegységek és alkatrészek képesek bemenőadatokat fogadni olyan forrásokból, mint a talajnedvesség-érzékelők, a meteorológiai állomások és a fagyérzékelők, hogy ezen adatoknak megfelelő digitális gazdálkodási reakciókat adjanak valós időben.

Ráadásul ezek a kifinomult öntözésszabályozó rendszerek egyre megfizethetőbbé válnak, miközben az öntözés optimalizálására szolgáló adatok felhasználása mind intelligensebb módon történik.

1. ábra: A Toro kertészeti és mezőgazdasági termelői felszereléseket gyártó vállalat olyan Tempus Automation mezőgazdasági öntözőrendszereket értékesít, amelyek kihasználják a 4G/wifi/LoRa/Bluetooth kapcsolódási lehetőségeket. A bázisállomás segítségével a termelők akár 1,6 km-es távolságból is vezérelhetik a szelepeket és a felügyeleti eszközöket. A hatótávolság növelése érekében a rendszer egyszerűen bővíthető újabb bázisállomásokkal, amelyek mindegyike lehet napenergiával működő vagy vezetékes áramellátású (kép: The Toro Co.)

Az éghajlat melegedésével, a régiók szárazabbá válásával, a népesség növekedésével és a víztartalékok kimerülésével egyre fontosabbá válik a vízzel való takarékosság. Valójában a víz hamarosan a legfontosabb kritikus erőforrássá válhat, amely a XXI. században nagyobb geopolitikai jelentőségre tehet szert, mint az olaj – talán még a jövő háborúit is kiválthatja. A Közel-Keleten már régóta léteznek a vízzel kapcsolatos problémák. Ez a térség a civilizáció születése óta egyre szárazabbá vált, és ma a világ lakosságának 5%-a él a világ édesvízkészletének mindössze 1%-ából.

2. ábra: A fejlett öntözésszabályozás előnyeit ki lehet használni a mikroszóró permezetőrendszereken és más, csepegtető módszereken alapuló üvegházi öntözésnél és a kapás növények szabadföldi öntözésénél (kép: Getty Images)

Üzleti szempontból a vízhiány az élelmiszerek és a mezőgazdasági termékek magasabb áraiban tükröződik, a víz ára az elmúlt évtizedben gyorsabban emelkedett, mint az energiáé. Hogy egyértelmű legyen: mind a nagyüzemi termelők, mind az induló mezőgazdasági üzemek számára alapvető fontosságúvá vált a vízfogyasztás minimálisra csökkentése a terméshozam maximálisra növelése mellett.

Szabályozható öntözési és növénytermesztési mechanizmusok

Az öntözésszabályozókkal szemben támasztott követelmények függenek az felhasználási területtől és a rendszer típusától – akár szórófejeken, akár csepegtető öntözésen, akár hidrokultúrás (más néven hidropóniás vagy tápoldatos) öntözőkörökön alapulnak.

3. ábra: A T3000 sorozatú szén-dioxid-érzékelők IP67-es védettségű házban vannak elhelyezve, hogy ellenálljanak a nedvességnek, a szennyeződésnek és beltéri függőleges termesztési eljárások esetén a műtrágyák károsító hatásának. Visszajelzéseiket az automatizált hidrokultúrás öntözési és trágyázási rutinokhoz lehet felhasználni (kép: Amphenol Telaire)

A termesztőházakban termesztett növények öntözése nagyon pontosan szabályozható. A szabadföldi környezet változékonysága nélkül az optimális fény-, víz-, trágya- és talajösszetétel következetesen a tűréshatárokon belül tartható. Az öntözés mindig egy szivattyúval feltöltött tározón és egy tálcás öntözőkörön alapul – szinte nulla párolgás és elszivárgás miatti vízveszteséggel. A szoftverek számos lehetőséget kínálnak az egyes növénykultúrákhoz. Ezek a programok magukban foglalják az egyes növényfajok növekedési ciklusaira és az előnyben részesített termesztési paraméterekre vonatkozó szakismereteket.

4. ábra: Az IP67-es védettségű ház a WIL lámpákat különösen alkalmassá teszi a beltéri digitális mezőgazdasági célokra történő felhasználásra (kép: Weidmüller)

A hagyományos kültéri gazdálkodásban az esőztető szórófejek a legszélesebb körben használt öntözőberendezések, amelyek kivitelezése a (háztulajdonosok által a gyephez használtakhoz hasonló) kis gyeplocsoló szórófejektől a nagynyomású ipari szórófejekig terjed, amelyeket villany- vagy dízelmotorral hajtott szivattyúk táplálnak. Ez utóbbiak közé tartoznak a hatalmas lineáris öntözőrendszerek, amelyek nagy méretű szórófejrendszerükkel több hektárnyi nyílt szántóföldet képesek locsolni.

A nagyüzemi automata öntözőrendszereknél gyakori másik kialakítást az ütközéssel forgatott szórófejek jelentik. Ezek egyszerűsített változatait lakossági gyeplocsoló termékként is árulják. A működésük ismertetése pár mondatban: az ütközéssel forgatott (vagy röviden ütközéses) szórófejek fő része egy szórófejtest, amely egy vízsugarat lő ki, ez a vízsugár pedig áthalad egy mechanikus karon. A vízsugár folyton nekiütközik a karnak, amely lecsapja és a termesztett növényekre szórja a vizet. Az így keletkező reakciónyomás és a mechanikus kar elmozdulása azt eredményezi, hogy a szórófejtest egy forgáspont körül forog, minek következtében a szórófej egy kör vagy egy körív mentén halad végig.

A mezőgazdasági haszonnövények automatizált öntözésének egyik utolsó lehetősége a csepegtető öntözés. A csepegtető öntözés – akár úgynevezett szivárgó csővezetékes, akár mikroszórófejes csővezetékes megoldású – csökkenti a vízfelhasználást (és különösen a párolgás miatt elvesztett vizet), mert a vizet közvetlenül a növények gyökérzónájába juttatja el.

Bővebben a körforgó és a lineáris (egyenes vonalban mozgó) mezőgazdasági öntözésről

A körforgó öntözés a szórófejes öntözés továbbfejlesztett változata. Ez a nagy kiterjedésű nyílt szántóföldek öntözésének egyik leghatékonyabb módja, az iparágban jellemző rendszerek nagyjából legfeljebb 50 hektárnyi (125 acre, azaz angol hold) területen 400 méteres sugarú köröket képesek lefedni. A körforgó öntözőrendszerek egy kört vagy körívet öntöznek egy (sok szórófejet tartalmazó) öntözőcsövet (kart) egy rögzített forgáspont körül forgatva. A csővezetéket több torony tartja, amelyeket hajtott kerekek mozgatnak a talajon.

5. ábra: Az időzítésvezérlést a körforgó öntözőrendszereknél használják az alapvető öntözési programok vezérlésére. Ezenkívül gyakran áramesés-figyelők figyelik a körforgó öntözőrendszerek tornyain elhelyezett a háromfázisú rendszerek egyik fázisát. Az ilyen áramesés-figyelők érzékelik a tornyok elakadását, hogy megakadályozzák a túlöntözést (kép: Littelfuse)

A tornyok között egy feszítőelemekként drótköteleket használó tartószerkezet tartja a csővezetéket, nagyon hasonlóan a függőhidak tartószerkezetéhez. Az 1940-es években kifejlesztett eredeti körforgó öntözőrendszerek a víz áramlását használták a kerekek hajtására. Ma már sokkal gyakoribb, hogy az ilyen berendezések kerekeit villanymotorok hajtják. Ezeknek a kerekeknek a sebessége meglehetősen kicsi, akár több napba is beletelhet, amíg a rendszer vezérlése egy teljes fordulat megtételére utasítja a kerekeket.

6. ábra: Az AgSense szoftver (amely mobil eszközökön és hordozható számítógépeken futó alkalmazásként érhető el) GPS és visszajelző technikák segítségével segíti a gazdálkodókat az öntözőszivattyúnak és a kiegészítő berendezéseknek, az áramlás és a nyomás értékének, a talajnedvesség szintjének, az időjárási viszonyoknak, a tartályok szintjének (ahol vannak) és a lopás bizonyítékainak nyomon követésében. Az automata körforgó öntözőrendszerek esetében ez a szoftver a legelterjedtebb megoldás (ugyanakkor a lineáris öntözőrendszerekhez is használható). A szoftver valós idejű adatokat szolgáltat és riasztásokat ad, és képes még a vegyesen hidraulikus és villanymotoros hajtású kerekekből álló flották vezérlésére is. A szoftver lényegében digitálispanel-funkciókat kínál, de megtartja a kompatibilitást a különféle márkájú vagy évjáratú mechanikus panelekkel is (kép: Valmont Industries Inc.)

A körforgó öntözőrendszerek nagy méretű és meglepően összetett gépek, amelyek szakaszonkénti vezérlése sajátos kihívást jelent. A tornyok nem együtt mozognak, hanem külön-külön állnak meg és indulnak el, hogy a csővezeték hozzávetőlegesen egyenes vonalvezetését fenntartsák. A csővezeték jelentős saját rugalmassága a csővezetéket tartó tartószerkezetek rugalmassága révén alkalmazkodik a tornyok egyenetlen mozgásához és a talaj természetes egyenetlenségeihez.

A körforgó öntözőrendszereknél a toronyszakaszok egyedileg vannak vezérelve. Ezt hagyományosan egyszerű mechanizmusokkal és véghelyzetkapcsolókkal érik el. A következő szakaszhoz rögzített kar helyzetét figyelve mindegyik szakasz könnyen érzékelheti, milyen szögben áll a következő szakaszhoz képest. Ezután az egyszerű véghelyzetkapcsolók a következő toronyszakaszhoz képesti állásszögnek megfelelően elindíthatják, leállíthatják és visszafelé forgathatják a kerekeket. Ez a megközelítés alkalmas a hidraulikus hajtású kerekek egyszerű hidraulikus vezérléshez is.

A körforgó öntözőrendszer legkülső tornyán lévő cső végére szerelt szórófejjel a fizikai szerkezeten túlra is kiterjeszthető az öntözött terület. Ha ez a szórófej folyamatosan működik, a terület továbbra is kör alakú marad. A szórófejek vezérlésével azonban megközelítőleg négyzet alakú területet is lehet öntözni a körforgó öntözőrendszerrel.

(forrás: UNL Biological Systems Engineering (biológiai rendszerek kutatása))

A lineáris öntözőrendszerek is szórófejeket használnak, és hasonlóak a körforgó rendszerekhez. A tornyok közti szakaszok mozgatása azonban nem egy rögzített tengely körüli ívben történik, hanem a szakaszok egyenes vonalban mozognak előre-hátra. Ez azt jelenti, hogy a lineáris öntözőrendszerek nem kör, hanem téglalap alakú területet fednek le. Az ilyen lefedettségi területek jobban illeszkednek a szántóföldi táblák alakjához, és teljesebb földterület-lefedettséget tesznek lehetővé. Ez azonban komolyabb feladatot jelent a mozgatott tornyok vezérlését és a vízellátás szabályozását illetően.

7. ábra: Ez egy lineáris öntözőberendezés. Az ilyen mechanikus berendezéseket használó automatizált rendszerekre nehéz kültéri öntözési feladatok hárulnak (kép: Getty Images)

Egyes konstrukciókban a vízellátás az öntözött terület egyik széle mentén húzódó nyitott csatornából vagy (alternatív megoldásokban) hajlékony tömlőn keresztül történik. Az ilyen lineáris öntözőrendszerek hátulütője az, hogy a tornyoknak összehangolt sebességgel kell mozogniuk, hogy a csővezetéket kellő mértékben egyenesen tartsák – és a tornyoknak együtt kell mozogniuk, hogy a rendszer folyamatosan haladjon előre és hátra a szántóföldön anélkül, hogy letérne a pályájáról. Ezeknek a követelményeknek a teljesítése érdekében egyes tornyokat úgy programoznak, hogy földbe fektetett kábeleket kövessenek.

Mezőgazdasági öntözésszabályozók

A legegyszerűbb öntözésvezérlők egyszerűen csak időzítők, amelyek előre beállított időpontokban lehetővé teszik a víz szabad áramlását. Ilyen időzítők találhatók a lakossági kategóriájú gyeplocsolókban is.

Az ipari öntözésszabályozók ezeknél kissé kifinomultabbak. Ezek hagyományosan hidraulikus vezérlőrendszerekkel voltak ellátva, és gyakran körforgó öntözőberendezések tartoztak hozzájuk.

Ma már számos korszerűbb ipari öntözésszabályozóban hétköznapi PLC-ket használnak. Ezek a PLC-alapú elektronikák a nagy méretű öntözőberendezések, például a lineáris öntözőberendezések mozgásának vezérlésén kívül úgy is beállíthatók, hogy fogadják a talajnedvesség- és áramlásérzékelőktől, időjárás-állomásoktól és fagyérzékelőktől érkező bemenőjeleket. Néhány ilyen rendszer ma már könnyen elérhető a nagyon kicsiben gazdálkodó mezőgazdasági kistermelők számára (a gyümölcstermesztéshez és az intelligens beltéri gazdálkodáshoz), amelyek olyan vezérlőegységeket használnak a növények és az üvegházak öntözésének automatizálására, mint az Arduino terméke.

8. ábra: A NETBEAT NetMCU jó példa a kereskedelmi kategóriájú összeépített öntözésszabályozókra – ez a strapabíró termék valójában egy teljes digitális mezőgazdasági megoldást jelent, mivel rengeteg műtrágyázási, öntözéssel kombinált műtrágyázási, termésmodellezési és előrejelzési feladatra alkalmas (kép: Netafim)

Az automata öntözésszabályozók képesek mérni az áramlási sebességet, hogy mért vízmennyiséget szállítsanak, és ne valamilyen előre beállított idő alatt szállított véletlenszerű mennyiséget. Azzal, hogy egy adott talajfelületre ismert mennyiségű vizet juttatunk, ideális termesztési feltételeket érhetünk el vízpazarlás nélkül. Az áramlásszabályozás lehetővé teszi az eltömődések és szivárgások észlelését is, figyelmeztetve a kezelőket a problémákra, mielőtt jelentős terméskár vagy vízveszteség következne be. Az IoT-protokollok segítségével a korszerű vezérlőegységek akár riasztásokat is küldhetnek a kezelő mobiltelefonjára, ha ilyen események történnek.

9. ábra: A RevPi automata automata vezérlőegység és a részét képező be- és kimeneti összetevők az egykártyás Raspberry Pi SoM/CPU/GPU miniszámítógép Compute Module változatára épülnek. A legújabb RevPi-változatok egyes növényöntözés-szabályozási módszerekhez hasznos analóg jeleket is fogadnak (kép: KUNBUS)

Néhány gazdálkodó számára a másik élvonalbeli lehetőséget az evapotranspirációs vagy ET-szabályozók jelentik. Ezek a talaj–víz háztartás egyensúlyának elvei alapján becsülik meg a vízigényt.

A vízháztartást a mezőgazdasági hidrológia vizsgálja, de a legalapvetőbb tényező, hogy a beáramló víznek meg kell egyeznie a kiáramló víznek és a tárolt vízmennyiség változásának az összegével. A kiáramlások a vizek természetes kifolyásából (lefolyás) és a párolgásból (evapotranspiráció) tevődnek össze – az evapotranspiráció a víz légkörbe jutása a párolgás és a növényzet általi párologtatás révén.

Az ET-szabályozóknak valós idejű adatokra van szükségük a beáramlásokról (az öntözés miatt beáramló mennyiség plusz a csapadékmennyiség), valamint az olyan környezeti paraméterekről, amelyek befolyásolják az evapotranspirációt, ilyen többek közt a hőmérséklet, a páratartalom és a napsugárzás. Az ET-szabályozóval (amely gyakran egy a feladathoz igazított automatizálási vezérlőegység) szorosan szabályozandó kulcsparaméterek közé tartoznak a termesztési együtthatók és a talaj víztartó képessége. A mezőgazdasági termés együtthatója az időjárási viszonyok és a rendelkezésre álló víz függvényeként határozza meg a transpiráció mértékét. Az ET-szabályozók akár 63%-kal is csökkenthetik a vízfelhasználást – ez olyan elképesztően nagymértékű megtakarítás, amilyet nem sok más módszerrel lehet elérni.

Összegzés

A mai nagyüzemi gazdálkodók számára különféle kifinomult öntözési módszerek állnak rendelkezésre. Ami azt illeti, az automatizálási technikák révén a fejlett öntözési módszerek mára a kisebb gazdálkodók, valamint a zöldségfélékre és más kisebb haszonkulcsú kényes terményekre szakosodott élelmiszertermelők számára is megfizethetővé váltak.