Vannmangelproblemer løst med avansert jordbruksvanning

I løpet av det siste tiåret har styring av landbruksvanning blitt stadig mer sofistikert. Nå har mange produsenter erstattet tradisjonelle vanningstimere og hydrauliske regulatorer med avanserte styrings- og konnektivitetskomponenter tilpasset fra de som er for industrielle konstruksjoner – inkludert systemer som bruker programmerbare logiske styringer (PLS), industrielle PC-er og stadig mer økonomiske automasjonskomponenter som har muligheten til å koble til og dra nytte av vanlige industrielle kommunikasjonsprotokoller. Disse styringene og komponentene kan håndtere innganger fra kilder som omfatter jordfuktighetssensorer, værstasjoner og frysesensorer for å anmode om adaptive sanntidsresponser for digitalbasert landbruk.

Dessuten er disse sofistikerte vanningsstyringssystemene i ferd med å bli rimeligere – selv om bruken av data for å optimalisere vanning har blitt stadig mer intelligent.

Figur 1: Utstyrsselskapet TORO, som er der for gartnere og bønder, selger Tempus Automation-vanningsanlegg for landbruket som drar nytte av 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth-konnektivitet. Basestasjonen gjør det mulig for gartnere å styre ventiler og overvåkingsenheter innenfor en boble på opptil 1,6 km. Basestasjoner kan enkelt legges til for å utvide rekkevidden – og disse kan strømsettes via solenergi eller kobles til via ledning. (Bildekilde: The Toro Co.)

Vannbesparelse vil bli stadig viktigere etter hvert som klimaet blir varmere, regioner blir tørrere, befolkningsantallet øker og aquifer tømmes. Faktisk kan vann snart bli den viktigste kritiske ressursen, og den vil oppleve større geopolitisk vekt enn olje i det 21. århundre – kanskje til og med utløse fremtidens kriger. Vannrelaterte problemer er allerede langvarige i Midtøsten. Denne regionen har blitt stadig tørrere siden sivilisasjonens fødsel og støtter nå 5 % av verdens befolkning på bare 1 % av verdens ferskvann.

Figur 2: Drivhusvanning og utendørsvanning av rad-avlinger basert på mikrospraysystemer og andre dryppmetoder drar nytte av avanserte vanningsstyringer. (Bildekilde: Getty Images)

Fra et forretningsperspektiv, gjenspeiles vannmangel i høyere priser på mat og oppdrettsprodukter, og vi har sett at vannpriser har steget raskere enn energi over det siste tiåret. For å være tydelig – det har blitt viktig for både store kommersielle virksomheter og nyoppstartede landbruksvirksomheter å minimere vannforbruket, samtidig som avlingene maksimeres.

Styrbare vannings- og vekstmekanismer

Kravene til vanningsregulatorer avhenger av bruksområdet og systemtypen – enten disse er basert på sprinklere, dryppvanning eller hydroponiske vanningskretser.

Figur 3: Karbondioksidsensorer i T3000-serien har IP67-hus som kan motstå fuktighet, smuss og eksponering for gjødsel i innendørs virksomheter med vertikal-dyrking. Feedbacken fra disse kan informere automatiserte hydroponiske vannings- og fruktbarhetsrutiner. (Bildekilde: Amphenol Telaire)

Vanningen av avlinger som høstes i veksthus kan reguleres svært tett – og uten variasjonene som oppleves i utendørsomgivelser, kan det optimale lyset, vannet, gjødslingen og jordblandingene holdes konsekvente innenfor toleranseverdiene. Vanning er alltid basert på et pumpeokkupert reservoar og en skuffbasert vanningskrets – der nesten ikke noe vann går tapt til fordampning og ikke noe vann går tapt til avrenning. Programvarealternativer florerer for bestemte avlinger. Disse programmene inkorporerer bransjekunnskap om planteartens vekstsykluser og foretrukne vekstparametere.

Figur 4: Et IP67-hus gjør WIL-lys spesielt godt egnet for innendørs digitalbasert dyrking. (Bildekilde: Weidmüller)

For tradisjonell utendørsdyrking er sprinklere det mest brukte vanningsutstyret, med konstruksjoner som spenner fra små plensprinklere (beslektet med de som brukes av huseiere på plener) til industrielle høytrykkssprinklere drevet av elektriske motorer eller dieselpumper. Sistnevnte inkluderer massive anlegg for lineære bevegelser som er i stand til å vanne åpne åkrer som strekker seg mange hektar med store sprinklersystemer.

En annen konstruksjon som er vanlig i automatiserte vanningsanlegg for storskalavirksomheter, er impulssprinklere (impact sprinkler). Forenklede varianter av disse selges også som forbrukerprodukter for plenvanning. Kort sagt består impulssprinklere av en hodeenhet som sender en vannstråle forbi en mekanisk arm. Dette vannet blir truffet av armen gjentatte ganger og spredt over avlingen som dyrkes. Det resulterende trykket og den mekaniske armens bevegelse skyver hodet rundt et dreiepunkt, noe som igjen får sprinkleren til å bevege seg i en sirkel eller delvis bue.

Et siste alternativ for automatisert vanning av landbruksavlinger, er dryppvanning. Enten dryppvanningen er basert på såkalte svetteslangesystemer eller mikrosprayhodesystemer, reduseres vannforbruket (og spesielt det som vanligvis går tapt ved fordampning) ved å forsyne vann mer direkte til plantenes rotsoner.

Mer om senterdreining og lineær bevegelse for landbruksvanning

Dreiende vanning er en avansert tilpasning av sprinklerbasert avlingsvanning. Det er en av de mest effektive måtene å vanne store åpne åkrer på, og anlegg typiske for bransjen er i stand til å dekke en radius på 400 m i et område på opptil 50 hektar (125 acres), eller noe rundt der. Dreiende vanningsanlegg vanner en sirkulær eller delvis bue ved å rotere et vanningsrør (med mange sprinklerhoder) rundt et fast dreiepunkt. Røret bæres av flere tårn som beveger seg langs bakken ved hjelp av drevne hjul.

Figur 5: Tidsstyringer brukes med dreiende vanningsanlegg for å styre grunnleggende vanningstidsplaner. I tillegg overvåker understrømsmonitorer ofte ett ben på de trefasede systemene på tårnene til dreiende vanningsanlegg. Slike understrømsmonitorer detekterer stillestående eller fastkjørte tårn for å forhindre overvanning. (Bildekilde: Littelfuse)

Mellom tårnene støttes vannrøret av et rammeverk som bruker kabler for strekkelementene – på nesten samme måte som støtteelementene til en hengebro. De opprinnelige dreiende vanningssystemene, som ble utviklet på 1940-tallet, brukte vannstrømmen til å drive hjulene. I dag er det langt mer vanlig at slikt utstyr er avhengig av elektriske motorer for å rulle hjulene fremover. Hastigheten til disse hjulene kan være ganske treg, siden det kan ta noen dager for systemstyringene å kommandere hjulene gjennom en full omdreining.

Figur 6: AgSense-programvare (tilgjengelig som en app gjennom mobilenheter og bærbare datamaskiner) utnytter GPS- og feedback-teknologier for å hjelpe bønder med å spore vanningspumper og hjelpekomponenter; flyt- og trykkstatus; jordfuktighetsnivåer; værforhold; tanknivåer (der det er aktuelt); og bevis på tyveri. Et ledende alternativ for automatiserte dreiende vanningssystemer (som også er kompatible med lineære maskiner) tilbyr sanntidsinformasjon og alarmer og muliggjør til og med styring av en blandet flåte av hydrauliske og elektriske dreieledd. I hovedsak gir programvaren tilgang til digitale panelfunksjoner, samtidig som den opprettholder kompatibilitet med mekaniske paneler av alle varemerker eller årganger. (Bildekilde: Valmont Industries Inc.)

Dreiende vanningsanlegg er store og forbausende komplekse maskiner som presenterer sine egne sonestyringsutfordringer. Tårnene beveger seg ikke sammen, men stopper og starter individuelt for å opprettholde omtrentlig innretting av røret. Den betydelige fleksibiliteten til røret kombinert med fleksibiliteten til rammeverkene som bærer det, tilpasser seg tårnets ujevne bevegelser og de naturlige vibrasjonene i bakken.

På dreibare vanningsanlegg, styres tårnseksjonene individuelt. Tradisjonelt sett oppnås dette med enkle mekanismer og grensebrytere. Hver seksjon kan lett detektere sin vinkel i forhold til den neste seksjonen ved å overvåke posisjonen til en arm festet på den neste seksjonen. Enkle grensebrytere kan deretter starte, stoppe og reversere hjulene, i henhold til den relative vinkelposisjonen til neste tårnseksjon. En slik tilnærming er egnet for enkel hydraulisk styring med hydraulisk drevne hjul.

En sprøytepistol på enden av det ytterste dreiende tårnet kan utvide vanningsområdet forbi den fysiske strukturen. Hvis denne er i drift kontinuerlig, vil området fortsatt være sirkulært. Ved å kontrollere kanonen er det imidlertid mulig å vanne et tilnærmet kvadratisk område ved å bruke et dreiende vanningssystem.

(Videokilde: UNL Biological Systems Engineering)

Ved å også anvende sprinklere, vil vanningssystemer med lineær bevegelse ligne dreiende systemer. Tårnseksjoner drives imidlertid ikke i en bue rundt et fast dreiepunkt. I stedet beveger de seg frem og tilbake i en rett linje. Dette betyr at vanningssystemer med lineær bevegelse dekker et rektangulært område i stedet for et sirkulært område. Et slikt dekningsområde kan være bedre egnet for eksisterende åkersystemer og gi et mer fullstendig landdekningsområde. Det gjør imidlertid styringen av de drevne tårnene og styringen av vanntilførselen mer utfordrende.

Figur 7: Dette er en vanningskonstruksjon med lineær bevegelse. Automatiserte systemer som benytter dette mekaniske utstyret håndterer vanskelige utfordringer relatert til utendørsvanning. (Bildekilde: Getty Images)

I noen konstruksjoner blir vann tilført av en åpen kanal langs en kant på det vannede området eller (i alternative sammenstillinger) via en fleksibel slange. Et forbehold er at tårnene til slike lineære vanningssystemer må vise koordinerte hastigheter for å holde røret noenlunde rett – og tårnene må navigere sammen slik at systemet kontinuerlig beveger seg fremover og tilbake over åkeren uten å bevege seg ut av kurs. For å oppfylle disse kravene, er noen tårn programmert til å følge nedgravde kabler.

Styringer for jordbruksvanning

De enkleste vanningsregulatorene er enkle timere som muliggjør fri flyt av vann i henhold til forhåndsinnstilte tider. Slike tidtakere finnes også i plenvannere for forbrukermarkedet.

Industrielle vanningsregulatorer er litt mer sofistikerte. Disse har tradisjonelt sett vært hydrauliske styringssystemer – og kombineres ofte med dreiende vanningsanlegg.

I dag bruker mange avanserte industrielle vanningsstyringer standard PLS-er. I tillegg til å styre bevegelsen til store vanningssystemer, for eksempel de som er basert på vanningsutstyr med lineær bevegelse, kan denne PLS-baserte elektronikken konfigureres til å motta inngangssignaler fra jordfuktighetssensorer, flytsensorer, værstasjoner og frysesensorer. Noen slike systemer er nå lett tilgjengelige for svært små landbruksvirksomheter (i fruktindustrien samt innendørs smart landbruksdrift) ved å bruke styringer som Arduino for å automatisere vanning av planter og i drivhus.

Figur 8: NETBEAT NetMCU er et eksempel på en integrert vanningsregulator av kommersiell kvalitet – og det robuste produktet utfører faktisk en rekke oppgaver relatert til gjødsling, fruktbarhet, avlingsmodellering og prognoser, noe som gir en komplett digital landbruksløsning. (Bildekilde: Netafim)

Automatiserte vanningsregulatorer kan måle strømningshastighet for å sikre levering av en målt mengde vann, i stedet for en vilkårlig mengde levert over en viss forhåndsinnstilt tid. Ved å levere en kjent mengde vann for et gitt jordområde, kan ideelle vekstbetingelser oppnås uten å kaste bort vann. Strømningsregulering gjør det også mulig å detektere blokkeringer og lekkasjer, og varsler operatørene om problemer før betydelig avlingsskade eller vanntap oppstår. Ved å bruke IoT-protokoller kan moderne styringer til og med sende varsler til en mobiltelefon når slike hendelser oppstår.

Figur 9: RevPi sin automatisert styring og I/O-komponenter er bygget rundt Compute Module-variasjonen av Raspberry Pi SoM/CPU/GPU-minidatamaskinen med ett enkelt kort. De nyeste RevPi-variasjonene rommer analoge signaler som er nyttige for visse tilnærminger av avlingsvanningsstyringer. (Bildekilde: KUNBUS)

Et annet banebrytende alternativ for noen bønder er fordampningstranspirasjon (evapotranspiration) eller ET-styringer. Disse beregner vannbehov basert på prinsipper rundt jord-til-vann-balansen.

Vannbalanse studeres av landbrukshydrologi, men på sitt mest grunnleggende må vanninnstrømningen være lik utstrømningen pluss endringen i lagret vann. Utstrømninger består av strålestrømning (avløp) og fordampningstranspirasjon – bevegelsen av vann til atmosfæren fra fordampning og transpirasjon gjennom vegetasjon.

ET-styringer krever sanntidsdata om innstrømning (vanningsstrømningsmengde og nedbør) samt miljømessige parametere som påvirker fordampningstranspirasjon som temperatur, fuktighet og solinnstråling. Viktige parametere som trenger nøye regulering via en ET-styring (ofte en tilpasset automatiseringsstyring) inkluderer avlingskoeffisienter og jordens vannholdige egenskaper. Landbrukets avlingskoeffisient bestemmer transpirasjonshastigheten som en funksjon av værforholdene og tilgjengeligheten av vann. ET-styringer kan redusere vannforbruket med opptil 63 % – en utrolig dramatisk besparelse som ikke samsvarer med mange andre tilnærminger.

Konklusjon

Sofistikerte vanningsløsninger florerer for dagens store industrielle bønder. Faktisk har automatiseringsteknologier også gjort avanserte vanningsmetoder billige nok for mindre gårdsbruk, samt matprodusenter som spesialiserer seg på grønnsaker og delikate avlinger med strengere fortjenestemarginer.